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纳米能源研究室在纳米热电输运、锂离子电池热稳定性和纳米光电材料应变调制的研究取得重要进展







我院纳米能源研究室郑金成教授研究小组与美国西北大学何佳清博士合作,在纳米热电材料的电输运和热输运研究取得新进展。热电转换技术(也称温差电技术)是利用热电效应进行热能和电能相互转换的技术,可以通过把太阳的热辐射、工业余热或汽车的废热等等热源产生的热能转换成电能从而成为新型的发电技术,也可以反过来进行电热转换从而实现制冷的作用。热电转换效率的高低主要取决于热电材料的电导、热电功率和热导。对于纳米材料的电、热输运机制的深入了解将有助于寻找或设计高效的纳米热电材料。通过与美国西北大学合作,我们最近发现在PbSb两种纳米颗粒共存的PbTe纳米复合材料中,会有反常的电输运现象:也就是随着温度的升高,电导先上升再下降。这个现象跟只有单种纳米晶粒的PbTe纳米复合材料单调下降的电导性能完全不同。我们通过结合电镜现场观测和理论计算的方法深入研究了多种纳米颗粒共存的纳米体系的反常的电输运现象,建立了一套纳米颗粒互扩散的输运理论。该研究结果发表在美国化学学会主办的JCR一区刊物JACS上:

 

Journal of the American Chemical Society 133 (23), pp 8786–8789 (2011)

(链接见: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja2006498)。

 

除了电输运,纳米材料的热传导性质对提升热电转换效率也很关键。在纳米材料的热导问题上,还有很多亟待探索的地方。比如,纳米微结构、纳米界面、纳米颗粒的大小及其由于晶格失配引起的局域应变场等等因素对热导如何影响。通过与美国西北大学和美国布鲁克海文国家实验室合作,我们在纳米热导方面也在Advanced Materials和JACS发表了两篇论文:

 

J. Q. He, S. N. Girard, J. C. Zheng, L. D. Zhao, M. G. Kanatzidis, V. P. Dravid, Strong Phonon Scattering by Layer Structured PbSnS2 in PbTe Based Thermoelectric Materials, Advanced Materials, accepted, 2012

Journal of the American Chemical Society, 132 (25), pp 8669–8675 (2010).

(链接见:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja1010948

 

Journal of the American Chemical Society, 131 (49), pp 17828–17835 (2009)

(链接见:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja905448b

 

通过建立纳米结构与性能如机械强度、热传导性质和电子性质的关联,从而可以利用高性能计算机来设计新型的纳米结构,进而为未来的微纳器件的机械性能、热管理、电输运等进行优化设计。最近纳米能源研究室团队设计了螺旋的石墨烯带、褶皱的石墨烯纸、碳纳米管-石墨烯片的三维“楼层建筑”、石墨烯带的“编织”,等等有趣的纳米构型,通过高性能计算机的分子动力学模拟,发现这些纳米构型能够具有特殊的机械或热学性能,有望在未来的纳米器件派上用场。这些研究成果发表在英国物理学会(IOP)主办的JCR一区刊物Nanotechnology,以及英国皇家化学学会主办的JCR一区刊物Journal of Materials ChemistryNanoscale上发表:

 

Nanotechnology 22, 105705 (2011)

(链接见:http://iopscience.iop.org/0957-4484/22/10/105705

 

Journal of Materials Chemistry, 22, 1435 (2012)

(链接见:http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/jm/c1jm13799a

 

Nanoscale, 4, 785 (2012)

(链接见:http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2012/NR/C1NR11200G

 

锂离子电池作为可充放电的电源已经大量使用在手机、手提电脑和其他移动通讯设备上。锂离子电池同时也是电动车以及航空航天、军用通讯等领域的很有广阔前景的电源。目前锂离子电池中普遍使用的正极材料是LiCoO2, 存在的问题是价格贵且热稳定性差。目前国际上通过采用含镍的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2来替换LiCoO2正极材料,可以提升能量密度并降低成本,可望成为新一代的锂离子电池材料。但是,这些材料的热稳定性的机理研究还很缺乏。不良的热稳定性极大的限制了LiCoO2及其相关正极材料的应用,特别是在电动车和航空航天等对稳定性、安全性高要求的领域。如何提升锂离子电池正极材料的热稳定性成为一个既有重要的科学研究意义更有迫切的现实意义。我们纳米能源研究室通过与美国布鲁克海文实验室合作,结合同步辐射、电镜、基于密度泛函理论的第一性原理计算、热力学分析等手段,系统研究LiMO2(M=Ni, Co, Mn) 及其相关正极材料的热稳定性。研究结果发现添加适当的Mn可以有效的提升锂离子电池材料的热稳定性。研究成果已发表在美国化学学会主办的JCR一区刊物Chemistry of Materials 上:

 

Chemistry of Materials 23 (17), pp 3953–3960 (2011)

(链接见:http://pubs.acs.org/doi/pdfplus/10.1021/cm201452q)

 

除了我们以上提到的热电材料和锂离子电池材料的研究之外,我们在光电、光伏能源材料方面也有一些可喜的进展。能带带隙是光电、光伏材料的一个非常重要的关键参数,但如何准确计算带隙一直是DFT-LDA或DFT-GGA理论无法解决的一个困难,需要采用更复杂的激发态理论如准粒子修正方法(GW)或BSE方法。最近我们研究室吕铁羽老师和廖霞霞博士生等人应用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,并考虑准粒子修正方法(quasiparticle GW approximation),详细研究分析了graphene, SiC, GeC, SnC nanosheets 的电子性质,发现在应变下这些XC(X=Si,Ge,Sn) nanosheets 会表现出有趣的间接带隙-直接带隙的电子相变,为光电、光伏材料的纳米设计提供应变工程设计方案。这些研究结果最近发表在JCR一区刊物Journal of Materials Chemistry上:

 

Journal of Materials Chemistry, (2012), DOI:10.1039/C2JM30915G 

(链接见:http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/JM/C2JM30915G)

 

早期的JCR一区刊物文章:

      Xiao Shen, Philip B. Allen, James T. Muckerman James W. Davenport, and Jin-Cheng Zheng,
      Wire versus Tube: Stability of Small One Dimensional ZnO Nanostructures
      Nano Letters,7(8), 2267 - 2271, (2007).

      R.F. Klie, J.C. Zheng, Y. Zhu, M. Varela, J. Wu and C. Leighton,
      Direct measurement of the low temperature spin-state transition in LaCoO3
      Physical Review Letters, 99, 047203 (2007).

      Y. Zhu, J.C. Zheng, L. Wu, A.I. Frenkel, J. Hanson, W. Ku, and P. Northrup,
      Nano-Scale disorder in CaCu3Ti4O12: a new route to the enhanced dielectric response
      Physical Review Letters, 99, 037602 (2007).Science highlighted at NSLS: http://www.nsls.bnl.gov/newsroom/science/2008/02-333.htm

      L. D. Cooley, A. J. Zambano, A. R. Moodenbaugh, R. F. Klie, Jin-Cheng Zheng, and Yimei Zhu
      Inversion of two-band superconductivity at the critical electron doping of (Mg,Al)B2
      Physical Review Letters, 2005, 95: 267002
      Highlighted at Virtual Journal of Applications of Superconductivity -- January 1, 2006 Volume 10, Issue 1

 

我们研究室致力于开发多尺度计算机模拟方法,研发新仪器设备并结合同步辐射和电镜的表征方法深入研究纳米能源材料(热电、光伏、锂离子电池)的输运机理和热力学性质,探索提升能量转换效率的微观机制。欢迎有志于能源研究的同学进入研究室学习和研究(实验:合成、表征、应用;理论:第一性原理计算、分子动力学模拟,有限元模拟,理论分析等)。更多信息请浏览纳米能源研究室网页:http://phys.xmu.edu.cn/physics/nanoenergy 或跟郑金成教授联系(电邮:jczheng@xmu.edu.cn)