随着社会的发展与进步，日益突出的能源供需矛盾不断将寻找清洁、高效、经济的新型能源材料推向研究前沿。热电材料是一类能利用热电效应，直接将热能（包括太阳能、地热、工业余热等能量）转换成电能的材料，由于热电转换技术便捷、环保等优势，在车载冰箱、深空探测器电源等领域具有不可替代的地位，受到科学家们的高度重视。而探索发现低成本、高丰度、低毒性的高效热电材料，是该领域基础研究的重点，是一项面临巨大挑战的研究工作。

北京师范大学吴立明（点击查看介绍）老师2004年发明了独特且安全的固相合成方法-硼硫化法（J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 4676-4681）。近期，他们利用该方法，发现了一种新的四方相α-CsCu₅Se₃，并实现宏量合成。该材料拥有前所未见的独特晶体结构：Cs⁺由类中国结形状的Cu8Se8结构单元构筑的三维无限扩展结构，其中镶嵌Cs⁺金属阳离子。α-CsCu₅Se₃热稳定性好，表现出典型晶态固体的热传输行为，并遵循Umklapp散射机制，这与具有类液态的热传导行为的二元化合物Cu_2-xSe完全不同。晶体学及热传输性能研究表明α-CsCu₅Se₃指出了一个有效抑制Cu⁺液体传输行为特征的方法。与吴立明老师2016年发现的高性能热电材料CsAg₅Te₃（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 11431–11436）相比，α-CsCu₅Se₃的晶体单胞体积减小了30％，导致材料具有更强的原子间d轨道重叠作用，从而显著降低有效质量(m*)，这使得α-CsCu₅Se₃相比于CsAg₅Te₃实现了功率因子200％的增长，达到8.17 μW/cm/K²，是目前报道的碱金属富铜硫属化合物中的最高值；同时，理论研究表明，由于结构中的Cu–Se软化学键和Cs⁺ 离子扰动作用，该材料具有很低的热导率。综合上述各方面因素，该化合物的本征热电优值ZT达到1.03（980 K）。进一步通过Sb掺杂优化热电性能的研究发现：Sb³⁺的孤对电子能够增大材料的晶格非谐性，有效增强Umklapp型散射，从而降低声子速度，使得α-Cs(Cu_0.96Sb_0.04)₅Se₃的晶格热导率进一步降低至0.40 W/m/K，热电优值ZT_max提升到1.30。该工作系统深入研究了α-CsCu₅Se₃体系结构和热电相关性能的关系，为低成本、高丰度、高性能硫属化合物材料的设计探索研究迈出重要的一步。

该研究工作近期发表在Journal of the American Chemical Society 杂志上。北京师范大学化学学院为唯一完成单位，化学学院博士生马妮为论文第一作者。该研究得到国家自然科学基金、北师大高层次引进人才基金、化学学院、北京市重点实验室、北京市自然科学基金等资金的大力资助。

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α-CsCu₅Se₃: Discovery of A Low-cost Bulk Selenide with High Thermoelectric Performance

Ni Ma, Yan-Yan Li, Ling Chen*, Li-Ming Wu*

J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 5293−5303, DOI: 10.1021/jacs.0c00062

导师介绍

吴立明

https://www.x-mol.com/university/faculty/65793

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http://www.chem.bnu.edu.cn/szll/jsdw/wjhxyjs/js/120637.html  

学校官网报道

http://news.bnu.edu.cn//zx/xzdt/115807.htm