纳米技术在能源方面的应用

纳米材料在能源方面的应用现今的能源问题已经迫在眉睫，各国也在开发新能源，力求解决能源危机。为此，纳米技术也被众多学者研究作为解决能源危机的途径，如利用纳米材料可使在太阳能方面的利用率可以达到40%，然而普通材料只有20%；纳米材料在内燃机中的应用，纳米材料能提高内燃机中的燃油利用率，等等很多方面都有应用，本文着重介绍纳米技术在热电材料方面的应用。热电材料进入21世纪以来，随着全球工业化的发展，人类对能源的需求不断增长，在近百年中，工业的消耗主要以化石类能源为主。人类正在消耗地球50万年历史中积累的有限能源资源，常规能源已面临枯竭6全球已探明的石油储量只能用到2020年，天然气只能延续到2040年左右，煤炭资源也只能维持2300年左右6且这两种化石燃料，在使用时排放大量的CO2、SO2等有害物质，严重污染了大气环境、导致温室效应和酸雨。引起全球气候变化，直接影响人类的身体健康和生活质量，严重污染水土资源。因此，开发新型环保能源替代材料已越来越受到世界各国的重视【1】。热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，1823年发现的塞贝克效应和1834年发现的帕尔帖效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。如随着空间探索兴趣的增加、医用物理学的进展以及在地球难于日益增加的资源考察与探索活动，需要开发一类能够自身供能且无需照看的电源系统，热电发电对这些应用尤其合适。热电材料是一种有着广泛应用前景的材料，在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。虽然其优点众多，但利用热电材料制成的装置其效率(5%)仍远比传统冰箱或发电机小。电热材料需要有高导电性以避免电阻所引起电功率之损失，同时亦需具有低热传导系数以使冷热两端的温差不会因热传导而改变。材料的热电效率可定义热电优值(Thermoelectricfigureofmerit)ZT来评估:，其中，S为热电势(thermoelectricpowerorSeebeckcoefficient)，T为绝对温度，为电导率，κ为热传导系数。为了有一较高热电优值ZT，材料必须有高的热电势(S)，高的电导率与低的热传导系数。热电材料近年发展图1【2】汇总了自20世纪50年代后出现的几种典型热电材料的性能及其随年代的进展.20世纪90年代以前,热电材料的研究主要基于Ioffe等[1]提出的窄带半导体热电理论,集中在Bi2Te3、PbTe、Si-Ge合金等材料体系上,主要通过掺杂、合金化、微米尺度的复合等手段优化其热电性能,但是,这些传统热电材料的性能在过去几十年中提高缓慢,其ZT值一直在1.0下方徘徊.90年代后期,美国科学家Slack【3】等提出了一种理想化的理论模型“Phonon-GlassandElectronic-Crystal”(声子玻璃电子晶体,简称PGEC),即理想的热电材料应该是材料的电学性能如同晶体而热学性能如同玻璃.在该模型的启发下,人们相继发现了诸如填充方钴矿、Clathrate等具有笼状结构的新型热电材料,这些笼状化合物具有典型的PGEC特征,已成为目前热电材料研究领域的热点方向.通过微结构的调控和复合手段优化热电性能也是热电材料领域长期以来一直倍受关注的研究方向,但是,80至90年代的大部分研究结果表明在微米层次上的复合很难实现对材料电、热输运性能的协同调控.90年代末,美国科学家Dresselhaus等提出了通过低维与纳米化提高热电性能的概念,近十多年来,通过在纳米尺度上的结构调控改善传统材料热电性能的研究成为热电材料领域又一主流方向,先后出现了纳米线或超晶格纳米线、超晶格薄膜、纳米晶材料和纳米复合材料等多种具有不同于传统材料微结构特征的新型热电材料,其热电性能获得明显提升.近十年来,ZT值记录突破了一度曾被人们怀疑是热电性能极限值的1.0的大关,许多低维材料报道的ZT值超过了2.0。低微纳米结构热电材料90年代初期,Hicks和Dresselhaus等提出了引入“量子阱”(quantum-well)等特殊结构提高材料热电性能的思路,其目标是通过材料尺寸优化实现费米能级附近电子态密度的提高与调控,从而实现Seebeck系数的提升；同时,由于纳米尺度的微结构缺陷的引入,声子传输散射作用增强,有利于降低晶格热导率.基于这一思路,在一些超晶格纳米线、超晶格薄膜材料中部分地实现了Seebeck系数和电导率的独立调控.进一步研究表明,通过控制纳米相的尺寸和分布,可实现对电子和声子的选择性散射,并且结合界面结构设计,利用界面能量势垒过滤低能量电子(界面能量过滤效应),从而实现Seebeck系数和功率因子(PF=S2)【4】的进一步提升.对于纳米线热电材料,理论预测和实验都证明了其热导率随着线直径的减小而快速降低,同时,粗糙线表面结构及界面的存在会产生明显的声子散射作用降低晶格热导率,例如在Si核Ge壳的纳米线中,Si-Ge界面对声子的散射也有很显著的作用.近十年中,人们运用电化学沉积、脉冲激光溅射/化学气相沉积等方法制备了Si/SiGe、InAs/InP及Bi2Te3/(Bi0.3Sb0.7)2Te3超晶格纳米线,Bi2Te3/Sb和Bi2Te3纳米线阵列等多种一维纳米结构。纳米晶块体及复合纳米材料纳米结构在块体材料中的应用比低维材料困难得多,不仅理论分析比低维纳米材料复杂,纳米结构块体材料的可控制备更是一个复杂的制备科学和技术问题.块体材料纳米化的基本出发点仍是立足于降低晶格热导率,但与此同时对电导率的抑制也值得特别关注.Goldsmid等的先期研究并不提倡热电材料的纳米化,主要考虑纳米化对热导率降低的贡献不足以补偿电导率降低带来的负面效果.2004年,Heremans等的理论预测表明晶粒尺寸达30~50nm的PbTe纳米块体材料的赛贝克系数会有较大幅度的提高.随后,许多研究报道了PbTe、Bi2Te3、Sb2Te3以及CoSb3纳米粉体的制备,但有关块体材料性能提高的结果甚少,主要原因是这些纳米粉末的合成通常采用高温液相合成法、有机溶液高温合成法、水热法、溶胶凝胶法及共沉淀法等化学方法,这些方法较难获得高纯的物相,因此纳米粉体烧结后常常出现由于杂质相的存在恶化电学性能.另外,这些纳米粉体中可控掺杂更为困难,特别是对填充CoSb3,填充元素常常是活泼的碱金属、碱土金属或稀土元素,其氧化物或卤化物在溶液中很难通过强还原剂还原.因此,采用化学法合成的纳米粉体烧结获得高性能纳米结构块体热电材料的基本策略具有相当大的挑战性.2008年,Science杂志上报道了采用球磨外加热压工艺制备p型BiSbTe纳米热电材料【5】,其平均粒径为20nm,ZT值在100℃达到1.4.高热电性能主要源于晶格热导率大幅降低的贡献,同时电学性能并没有受到显著影响.随后又有采用金属单质原料直接球磨后热压烧结制备p型Bi-Sb-Te纳米合金、p型SiGe纳米材料、n型YbxCo4Sb12和p型LaxFeCo3Sb12填充方钴矿热电材料的报道,该种球磨和热压烧结均在惰性气氛中进行,有效避免了制备过程中原料尤其是活泼金属的氧化.旋甩快冷法广泛应用于制备非晶态金属及磁性材料,近年来许多研究者将该技术应用于纳米热电材料的制备,取得了较好的效果.旋甩工艺能以极快的速率冷却熔体,得到接触面为非晶、自由面为纳米晶的片状物,放电等离子(SPS)快速烧结后,纳米晶能得到保留,并伴随有一些非晶分散在纳米晶基体中,从而得到极低的晶格热导率.采用旋甩快冷工艺结合SPS烧结制备的p型Bi2Te3纳米材料的ZT值在300K时达1.35【6】,在后续报道中结构和性能优化后的p型Bi2Te3的ZT达到1.56【7-9】.图2纳米复合材料显微结构图2004年,Science上报道了具有纳米复合结构的Ag1-xPb18SbTe20块体材料,其ZT值达2.1(800K),后来许多机构的研究者均开展了该材料体系的研究,许多研究结果都报道ZT值大于1.5.图2【2】展示了几种典型方钴矿基复合材料的显微结构.与基体材料相比,Ba0.22Co4Sb12/TiO2纳米复合材料的热电性能提高了16%。纳米技术展望总的来说,相比于常规制冷和发电技术,热电器件目前仍缺乏足够的竞争力,提高热电材料的热电性能和优化热电器件设计是关键。纳米技术与热电材料的结合是提高材料热电性能非常有前途的新途径之一,但由于对其开展研究的时间不长,尚处于起步阶段,无论在理论还是在实验方面都还有很多问题需要解决,如理论模型计算纳米结构所引起的界面效应和量子尺寸效应时过于理想化,没有考虑实际中的一些相互抵消作用;还没有找到工艺简单、成本低廉、可有效保证纳米相均匀分布的制备实验手段;实验观察到的性能提高与理论模型计算预计值还有明显差距,结构与性能之间的关系还不明确;对所制备材料微观结构的了解还不是很清楚等等。因此研究纳米技术在提高热电材料性能上的应用,还需要进一步完善其理论模型,把纳米结构引起的消极作用考虑进去,进一步提高目前实验方法制备纳米结构热电材料的质量并开展对成本低廉易于控制的新实验方法(如原位析出法)的研究,以及提高性能检测精度、减少误差等等。随着电子仪器及电子器件向小型化、微型化发展的趋势,纳米技术在热电材料的研制和开发应用上将大有所为。我们也期待科学家们在这方面的研究工作有更大的突破【10】。参考文献【1】刘杨.热电材料的研究现状及展望.科技论坛.2013.3.15-80;【2】陈立东.纳米复合热电材料研究进展.无机材料学报.2010,第25卷第6期:561-569.【3】SlackGA.RoweDM,ed.CRCHandbookofThermoelectrics.BocaRaton:CRCPress,1995,chap.34,40.【4】WuY,FanR,YangP.Block-by-blockgrowthofsingle-crystallineSi/SiGesuperlatticenanowires.NanoLett.,2002,2(2):8386.【5】PoudelB,HaoQ,MaY,etal.High-thermoelectricperformanceofnanostructuredbismuthantimonytelluridebulkalloys.Science,2008,320(5876):634638.【6】TangX,XieW,LiH,etal.Preparationandthermoelectrictransportpropertiesofhigh-performancep-typeBi2Te3withlayerednanostructure.Appl.Phys.Lett.,2007,90(1):01210213.【7】XieW,TangX,YanY,etal.Uniquenanostructuresandenhancedthermoelectricperformanceofmelt-spunBiSbTealloys.Appl.Phys.Lett.,2009,94(10):102111-1-3.【8】XieW,TangX,YanY,etal.HighthermoelectricperformanceBiSbTealloywithuniquelow-dimensionalstructure.J.Appl.Phys.,2009,105(11):11371318.【9】EblingDG,JacquotA,JgleM,etal.StructureandthermoelectricpropertiesofnanocompositebismuthtelluridepreparedbymeltspinningorbypartiallyalloyingwithIV-VIcompounds.Phy.Stat.Sol.(RRL),2007,1(6):238240.【10】罗婷.·51纳米技术在提高热电材料性能上的应用现状及发展趋势·.材料导报.2006年2月第20卷第2期:50-53.