本研究以细菌纤维素基碳气凝胶(CA)为载体材料, 通过水热法制备了Ni-Co-S/CA复合气凝胶, 掺入钒元素调控材料的微观结构和性能。研究结果表明: Ni-Co-S的主要物相为NiCo₂S₄, 次相为NiS₂。随着镍钴盐浓度的增大, 负载量增加, 电催化峰电流密度先升后降。当镍钴盐浓度较低时, 掺微量钒后, Ni-Co-S从结晶度较高的球形颗粒转变成低结晶度的方形微粒, 电催化活性和稳定性都得到改善。在0.01 mol/L镍钴盐溶液中掺入3mol% V, 制备的电极对甲醇具有最优的催化氧化性能, 与不掺V的样品相比, 其峰电流密度(78.18 mA/cm ²)提升了至少45.7%。Ni-Co-S/CA复合气凝胶电极具有轻质、高孔隙率等优点, 有望用于便携式直接甲醇燃料电池。

本研究采用高温固相反应法合成了BaCe_0.7Zr_0.1Y_0.2O_3-d (BCZY7)质子导体氧化物, 对材料的物相结构和微观形貌进行表征和分析, 并将BCZY7作为固体氧化物燃料电池(SOFC)的电解质, 通过浸渍法和共烧结法成功制备了阳极支撑的NiO-BCZY7/BCZY7/La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ(LSCF)-BCZY7钮扣式电池。以氢气(含3vol% H₂O)为燃料, 空气为氧化剂, 对电池的电化学性能进行测试。结果表明, 在600、550、500 ℃时, 电池的最高功率密度分别为203, 123, 92 mW×cm^-2, 而传统(ZrO₂)_0.92(Y₂O₃)_0.08基SOFC在600 ℃时通常只有几十毫瓦的单位面积输出, 质子导体电解质可以极大改善SOFC的中低温性能, 缓解SOFC工作温度高的问题。

柔性热电器件能够直接将人体热量转化为电能, 因而受到广泛的关注。本研究采用水热法合成了碲纳米线, 探究了水热温度和反应溶液的还原性强弱(添加抗坏血酸与否)对碲纳米线形貌及热电性能的影响。与强还原性反应液(添加抗坏血酸)中制备的碲纳米线相比, 弱还原性反应液(未添加抗坏血酸)中制备的碲纳米线具有较高的长径比, 最高可达200, 其组装的薄膜具有更高的电导率, 达到26 S·m^-1。进一步研究了成膜工艺对碲纳米线薄膜热电性能的影响, 发现湿压法可提升薄膜的微观致密度, 使薄膜中碲纳米线之间的微观连接更为紧密, 从而改善了薄膜的载流子迁移率和载流子浓度, 使薄膜的电导率提升了18.3倍, 达到476 S?m^-1, 塞贝克系数为282.9 μV?K^-1, 功率因子达到38 μW?m^-1?K^-2。

固溶结合掺杂是优化材料热电性能的有效途径。本研究采用固相反应结合等离子体活化烧结成功合成了一系列单相的Mo_1-xW_xSeTe(0≤x≤0.5)固溶体及其Nb掺杂产物。热电输运研究表明, W固溶结合Nb掺杂显著提高了Nb_2yMo_0.5-yW_0.5-ySeTe固溶体的载流子浓度、载流子迁移率、电导率和功率因子, 适当降低了样品的晶格热导率, 进而显著提高了材料的热电优值ZT。随着Nb掺杂量的增加, 掺杂引入的离散能级转变为连续的杂质能带, 同步提升了载流子浓度和载流子迁移率。取向性研究发现, 由于在平行方向晶格热导率较低, Nb_2yMo_0.5-yW_0.5-ySeTe固溶体在平行烧结压力方向的ZT略优。最优组分Nb_0.03Mo_0.485W_0.485SeTe在垂直于烧结压力和平行于烧结压力方向获得了最高ZT, 分别达到0.31和0.36(@823 K), 是目前MoSe₂基热电材料获得的最好结果之一。后续通过优化掺杂元素来改善Seebeck系数和功率因子, 将有望进一步提升MoSe₂基化合物的ZT。

作为一种适于中温下使用的极具发展前景的新型热电材料, BiCuSeO由于本征热导率低且Seebeck系数较高而广受关注。本研究探索了变价稀土元素Eu替换Bi位对BiCuSeO热电材料微观组织和热电性能的影响。实验结果显示, 样品中同时存在Eu²⁺和Eu³⁺两种价态的离子, 掺杂Eu元素不仅可以增加样品的载流子浓度, 还可以调整样品的能带结构, 进而改善样品的电输运性能, Bi_0.85Eu_0.15CuSeO电导率显著提升, 在823 K时达到了98 S·cm^-1, 相比于未掺杂样品提升了将近6倍。在温度为823 K时, Bi_0.975Eu_0.025CuSeO的功率因子可达0.32 mW·m^-1·K^-2, ZT值为0.49。本研究表明, 掺杂变价稀土元素可以有效改善BiCuSeO热电材料的性能。

在GeTe中掺杂In能够引入共振能级, 但其微观结构对热电性能的影响还不明确。本研究采用熔炼-淬火-退火并结合放电等离子体烧结(SPS)的方法制备了系列Ge_1-xIn_xTe样品, 采用XRD、SEM、激光导热仪和热电性能分析系统(ZEM-3)对其微观结构和热电性能进行了研究。结果表明, 随着In元素的掺入, Ge_1-xIn_xTe的晶胞体积减小、人字鱼骨结构变小、晶界增多, 导致晶格热导率降低, 获得的最低热导率为2.16 W·m ^-1·K ^-1。同时, 掺杂In引入了共振能级, 降低了载流子浓度, 使塞贝克系数以及功率因子增大。当In掺杂量x为0.03时, Ge_1-xIn_xTe在600 K时获得最大ZT值1.15, 比GeTe提升了26.4%, 表明调整Ge_1-xIn_xTe的微观结构可以有效提升热电性能。