近日，南京理工大學化學與化工學院徐骉教授團隊在國際化學類頂級期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie）上發表了題為《Realizing zT > 2 in Environment-Friendly Monoclinic Cu2S-Tetragonal Cu1.96S Nano-Phase Junctions for Thermoelectrics》的研究論文。化學與化工學院博士研究生黎曉坤、碩士生導師婁悅為本文共同第一作者，南京理工大學徐骉教授和碩士生導師婁悅分別為第一，第二通訊作者。南京理工大學為該項工作的第一完成單位和通訊單位。
熱電材料可以在不產生溫室氣體排放的條件下將廢熱轉化為電能，提供了一條有利環保的發電途徑。Cu2S由于具有高元素豐度、低毒性和可供調控的晶體結構，被認為是新一代理想的熱電材料。然而，各熱電參數之間的物理聯系形成了特殊的聲子-電子耦合關系，為提升材料的熱電性能帶來了很大的挑戰。晶相調控和界面工程調控等納米結構構筑策略可以制備出具有獨特原子排布方式的新型材料，有望獲得優異的熱電性能。但涉及到的非常規介穩相、非晶相和異質相材料與傳統的熱力學穩定相有所不同，通常具有更高的系統能量而導致其穩定性欠佳。因此，開發在常溫常壓條件下穩定的非常規相合成策略是亟需解決的問題。
鑒于此，南京理工大學徐骉教授團隊設計開發了一種基于配體保留的熱電材料合成策略，將膠體法制備的Cu2S納米晶體作為前驅體，在放電等離子體燒結（SPS）過程中，保留的十二硫醇（DDT）表面配體中的硫原子與Cu2S納米晶發生如下反應：1.96 Cu2S + 0.04 C12H25SH → 2 Cu1.96S + 0.04 C12H26，制備出單斜Cu2S-四方Cu1.96S納米相異質結構，并通過調控表面配體的含量成功實現了兩種物相比例的調控。單斜Cu2S-介穩四方Cu1.96S納米相界面中的晶格失配增加了材料聲子散射，大幅度降低了Cu2-xS材料的晶格熱導率。同時，Cu1.96S具有較高的晶體學對稱性和豐富的Cu空位，可以增加材料的載流子有效質量和載流子濃度，其主導的調制摻雜效應提高了Cu2-xS材料的載流子遷移率，實現了在保持低熱導率的同時得到較高的功率因子。最終，通過對相異質結構的微調控，(Cu2S)0.31(Cu1.96S)0.69樣品在932 K溫度下實現了金屬硫化物中最大zT值2.1，并且該樣品還表現出優異的熱學穩定性和循環穩定性。
該工作提供了一種材料表面配體協同調控納米微結構的新策略，探究了納米相異質結構調控對材料熱、電輸運性能的影響，為高性能熱電材料的設計提供了借鑒。此外，該策略可以成功拓展到具有類似界面結構和組成的半導體納米材料，為相工程、界面工程等結構調控策略的推廣應用提供了更大的發展空間。
上述工作得到了江蘇省雙創人才、江蘇省雙創博士（JSSCBS20210210215）、南京理工大學軟化學與功能材料教育部重點實驗室、吉林大學無機合成與制備國家重點實驗室和南京大學化學化工學院配位化學國家重點實驗室的支持。
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