热电能源转换技术可以实现热能和电能之间的直接、相互转换，具有缓解全球化石燃料短缺的潜力。目前先进的热电材料仍然是以人工合成的为主，并且需要丰富的热电性能优化策略协助实现优异的热电性能。
日前，昆明理工大学材料科学与工程学院金属先进凝固成形及装备技术国家地方联合工程研究中心葛振华、冯晶团队与北京航天航空大学赵立东教授、南方科技大学何佳清教授合作，在天然矿物材料热电性能及稳定性研究方面取得重大进展，相关研究以《Highly Stabilized Thermoelectric Performance in Natural Minerals》为题，发表在Cell出版集团能源领域顶级学术期刊Joule（IF=39.8）。昆明理工大学为第一作者单位，葛振华教授为第一作者和通讯作者，材料科学与工程学院博士研究生张益欣为共同一作，冯晶教授、赵立东教授、何佳清教授为共同通讯作者。中国矿业大学（北京）邓久帅教授提供了天然矿物样本及基本性质，昆明理工大学国土资源工程学院赖浩博士在矿物分析方面提供了重要帮助。
硫化铜材料的原料廉价、低毒、来源丰富，并且具有超离子导体的特性，因而具有实际应用潜力。但该材料体系的载流子传输和离子输运之间存在很强的关联性，因此其热电性能和电稳定性难以同时提高。本研究发现了一种混合天然矿物，表现出良好的热电性能和优异的电稳定性。天然矿物以辉铜矿为基体，绝缘的石英网络结构嵌套在矿石中，还有少量辉铋矿及其它伴生矿物的存在。天然矿物在退火优化后保留的稳定组成及多尺度的绝缘石英结构可以有效解耦载流子、声子和离子传输。天然矿物在973 K时获得了1.4的峰值ZT，与人工合成的纯的Cu2S材料相比，矿石样品同时具有优异的电稳定性。深入分析了天然石英提升辉铜矿电稳定性的机制，网络状的绝缘阻挡层一方面能够阻挡高温下铜离子的定向长程迁移，同时还能起到天然变阻器的作用调节每个辉铜矿单元的工作电压。此外，本研究进一步设计并制备了多种铜基超离子导体复合玻璃薄片的热电材料，证明了复合宏观绝缘阻挡层的策略可以有效改善铜基超离子导体材料的电稳定性。本研究发现了一种能够直接实现热电能源转换的天然矿物，并且鉴于矿物的成分和结构提出了能在其他材料体系中推广的性能及稳定性优化策略。
葛振华教授自2015年入职昆明理工大学以来，从事有色金属基热电材料的合成制备及性能调控研究，深入研究铜基，锡基，铋基热电材料的电传输性能、热传输性能和力学性能的调控方法和增强机理，先后以第一作者和通讯作者身份发表了一系列高水平论文：Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600607；Mater. Today 2016, 19, 227-239；Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 6836-6845；J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 9714-9720；Adv. Funct. Mater. 2019, 1902893；Nano Energy 2020, 78, 105227.；Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2102838；Acta Mater. 2021, 218, 117230；Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2103770；Adv. Sci. 2022, 9, 2203250；Acta Mater. 2022, 233, 117972；Adv. Mater. 2023, 202308353；出版学术专著3部；获授权发明专利20余件。相关研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、云南省云岭英才青年人才后续支持经费、云南省应用基础研究计划重点项目、云南省杰出青年基金项目的资助。相关成果将有助于厘清热电材料结构与性能的关系，为开发新型热电材料提供借鉴，并为提升云南省有色金属产业链延伸提供助力。
论文链接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(23)00487-7
葛振华供稿
2023.12.15
