在一项新的研究中，东京工业大学的科学家报道了具有高能量转换效率的环境友好型反钙钛矿，具有作为热电材料(TEM)的实际应用潜力。新型 TEM 解决了 TEM 通常面临的局限性，例如能量转换效率不足和重元素导致的环境毒性，为基于有毒元素的 TEM 提供了合适的替代品，其热电性能比传统的环保 TEM 更好。
能够将热能转换为电能(反之亦然)的热电材料(TEM)已成为我们世界的重要组成部分，这需要更好的废能收集系统和电子产品冷却系统。
TEM 的能量转换效率取决于无量纲品质因数 ( ZT )，它是两个不同因素的乘积：热导率的倒数 ( k ) 和功率因数 (PF)。
如果高性能 TEM具有低k和高 PF，则它会表现出高ZT。多年来，科学家们开发了多种基于重金属硫族化物的高性能 TEM，例如 Bi 2 Te 3和 PbTe，满足这些标准。虽然这些材料非常适合能量转换，但它们对环境和生物体的健康有毒——它们含有有毒的重元素，如铅 (Pb) 和碲 (Te)，这限制了它们的实际应用。另一方面，虽然氧化物基TEM(例如SrTiO 3)具有无毒和自然资源丰富的优点，但由于其高k值，它们的ZT受到限制。
为了解决这个问题，由东京工业大学 Takayoshi Katase 副教授领导的研究小组探索了高效且环保的无毒元素 TEM。在《Advanced Science》上发表的最新研究中，研究人员提出了基于“逆”钙钛矿的高ZT TEM，其化学式为 Ba 3 B O，其中B指硅 (Si) 和锗 (Ge)。
“与普通钙钛矿(如 SrTiO 3 )不同，反钙钛矿 Ba 3 B O 中的阳离子和阴离子位点的位置是相反的。因此，它们含有大量的重元素 Ba，其晶体结构是由由弱 O-Ba 键组成的软火焰。这些特性实现了反钙钛矿的低k，”Katase 博士详细介绍了该材料的出色性能。
研究小组阐明，合成的Ba 3 B O块体多晶在300-600 K的T下具有1.0-0.4 W/mK的极低k，低于Bi 2 Te 3和PbTe块体的k。因此，Ba 3 B O 块体在T = 300-623 K 时表现出相当高的ZT (0.16-0.84 )。除了有希望的实验结果之外，该团队还进行了理论计算，预测Ba 3的潜在最大ZT为 2.14通过优化空穴浓度，在T = 600 K 时得到 SiO 和 1.21(对于 Ba 3 GeO )。这些无毒TEM的最大ZT远高于其他环保TEM，并且在相同温度范围内与有毒重元素TEM相当。
此外，研究小组还澄清，Ba 3 B O的高ZT不仅归因于其低k，还归因于其高PF：B离子，该离子通常表现为带正电的阳离子，但在Ba 3 B中表现为带负电的阴离子O. B阴离子负责载流子传输，从而实现高 PF。
总之，这项研究验证了新设计的 Ba 3 B O 作为传统有毒重元素 TEM 的高性能和环保替代品的潜力。结果表明，反钙钛矿是开发先进的环境友好型 TEM 的一个有前途的选择。在这方面，Katase 博士总结道：“我们相信，我们在不使用有毒元素的情况下设计高ZT材料的独特见解将对材料科学和化学界以及寻求扩大热电材料视野的创新者产生重大影响。应用超出了实验室范围，进入了我们的日常生活。”
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