摘要: 热电材料能够实现热能至电能的转换，在缓解环境污染和实现能源的可再生利用方面具有重要作用。近几年来，half-Heusler(HH)化合物由于其优异的电学性能、良好的机械强度和热稳定性等受到了研究者们的广泛关注，被认为是现阶段最有商业应用潜力的中高... 展开 热电材料能够实现热能至电能的转换，在缓解环境污染和实现能源的可再生利用方面具有重要作用。近几年来，half-Heusler(HH)化合物由于其优异的电学性能、良好的机械强度和热稳定性等受到了研究者们的广泛关注，被认为是现阶段最有商业应用潜力的中高温热电材料之一。TaFeSb基材料作为近年报道的一类新型p型HH化合物，其优异的热电性能一直受到业界的关注。然而，half-Heusler化合物依然普遍存在晶格热导率高的问题，这使得其热电性能的进一步提升受到限制。因此，本文以TaFeSb基HH化合物作为研究对象，主要研究了该材料的新型批量合成工艺，并通过多尺度的掺杂方案探索了降低材料晶格热导率，从而改善热电性能的有效策略，获得的主要结果如下: (1)发展了half-Heusler相材料的合成工艺，成功批量制备了高纯度的TaFeSb基half-Heusler化合物。相较于研究更成熟的NbFeSb,TaFeSb由于Ta的相对惰性以及各元素间更大的熔点差，对合成高质量的样品提出了更高的挑战。通过对制备流程(一步法或多步法)、反应温度以及原材料类型(块状或粉末)等多方面的调节，我们确立了电弧熔融+高温反应分步引入金属块状原材料的两步反应合成法，该方法极大降低了TaFeSb基材料的杂质含量，随后通过机械研磨、放电等离子烧结等工艺，最终制得高纯Ta0.84Ti0.16FeSb块状材料。 (2)在TaFeSb基热电材料中进行等电子重元素掺杂可以显著提高热电性能。在Ta0.84Ti0.16FeSb的基础上，我们制备了一系列Ta0.84Ti0.16FeSb1-xBix(x=0,0.005,0.01,0.02,0.03)材料。该方法可以在Sb位点引入强烈的质量波动和应力场波动，从而有效增强材料内部的合金散射，从而增强对声子的散射，实现晶格热导率的降低。X射线衍射(X-rayDiffraction,XRD)和能谱(EnergyDispersiveSpectroscopy,EDS)分析结果表明，我们制得了高纯度的TaFeSb相。在性能方面，Bi的掺杂不仅将材料的晶格热导率降低20％以上，而且同时实现了电导率σ和Seebeck系数S的优化，这极大地优化了材料的热电性能。其中x=0.01材料的热电优值zT值在973K时达到峰值～0.73,相比x=0的样品zT值提升了53％。 (3)在TaFeSb基热电材料中引入还原石墨烯氧化物(reducedGrapheneOxide,rGO)以构筑纳米复合材料，可以显著降低晶格热导率。通过湿法超声的方式将氧化石墨烯(GO)吸附于HH材料表面，随后在5％H2/Ar气氛中对GO进行热处理还原，从而形成rGO包覆Ta0.84Ti0.16FeSb的纳米复合材料结构。引入的rGO作为晶界，有效地增强了材料中的中低频声子的散射，从而实现降低晶格热导率的目的。通过性能表征我们发现，在973K时，掺杂0.7wt.％-rGO的材料晶格热导率降低了23％,在优化热性能方面取得了显著效果;但rGO的引入同时也引起了空穴载流子的增加，限制了热电性能的进一步提升。 收起