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昆明理工大学葛振华团队：结构演化驱动的Bi–S–Se固溶体中热电性能增强

已有 698 次阅读 2026-1-21 11:00 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Huang K, Wang Z-Y, Wang C-Y, et al. Structural evolution-driven enhancement of thermoelectric performance in Bi–S–Se solid solutions. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221239

文章DOI: 10.26599/JAC.2026.9221239

ResearchGate：Structural evolution-driven enhancement of thermoelectric performance in Bi–S–Se solid solutions

1、导读

硫化铋（Bi₂S₃）是一种极具潜力的环保热电材料，但其电热性能难以协同提升。本研究提出“结构演变”策略，通过引入硒（Se）形成固溶体，成功重构载流子传输通道并优化载流子浓度，显著提升了电学性能。同时，微观形貌由颗粒状向层状转变及原子质量差异引发的晶格畸变，有效降低了晶格热导率。最终，Bi₂SSe₂ 固溶体在 623 K 时获得了 0.38 的热电优值（ZT），证实了该策略在提升二元化合物热电材料ZT值的有效性。

2、研究背景

热电技术能够直接将废热转化为电能，在可持续能源领域前景广阔。硫化铋（Bi₂S₃）凭借储量丰富、环境友好及低成本优势，成为备受关注的热电候选材料。然而，其固有的低电导率以及电热参数间的强耦合特性，导致难以同时优化功率因子和热导率，严重制约了整体性能的提升。因此，亟需突破传统掺杂限制，探索基于晶体结构演变的新策略，以实现电声输运的协同调控。

3、文章亮点

本研究针对环境友好型硫化铋（Bi₂S₃）热电材料长期面临的电导率低及电热参数强耦合难题，提出并验证了一种创新的“结构演变”调控策略。区别于传统的微量元素掺杂，我们通过构建 Bi-S-Se 连续固溶体体系，利用同族元素硒（Se）对硫（S）的逐步取代，成功诱导了材料微观结构从无序的“颗粒状”向有序的“层状”演变，从而实现了对晶体对称性和微观形貌的深度调控。在电输运性能方面，这种结构演变在原子尺度上重构了载流子传输通道，有效消除了硫原子带来的传输势垒。同时，第一性原理计算与 COHP 分析表明，由于硒的电负性低于硫，其较弱的电子束缚能力导致化学键强度降低，从而激发了更高浓度的本征载流子，促使材料电导率实现了数个数量级的跨越式提升。在热输运性能方面，我们利用 Se（原子质量 78.94）与 S（原子质量32.06）之间巨大的质量差异引入了强烈的质量波动散射。这种原子尺度的点缺陷散射，配合层状微观结构带来的晶格畸变效应，显著增强了全频段的声子散射作用，从而在保持高电导率的同时有效抑制了晶格热导率。最终，该策略在 Bi₂SSe₂ 固溶体中成功实现了电声输运性能的协同解耦，于 623 K 获得了 0.38 的峰值热电优值（ZT）。这项工作不仅开发出一种极具潜力的低成本热电材料，更为通过晶体结构演变来优化二元硫族化合物性能提供了通用的理论框架和技术路径。

图 1 Se 取代 Bi₂S₃ 固溶体的电学和热学特性的机理示意图。

图2 Bi₂S_3-xSe_x的扫描电子显微镜新鲜块体断口

图 3 (a)Bi₂S₃、(b)Bi₂S_2.5Se_0.5、(c)Bi₂S₂Se、(d)Bi₂SSe₂、

(e)Bi₂S_0.5Se_2.5和(f)Bi₂Se₃的COHP 分析。

4、作者及研究团队简介

葛振华(通讯作者)，昆明理工大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。主要集中在热电材料（Thermoelectric Materials）、致力于开发高性能、低成本且环境友好的热电转换材料并探索其在废热回收中的应用。

邮箱：zge@kust.edu.cn

冯晶，昆明理工大学材料科学与工程学院院长、教授、博士生导师。同时担任高精尖涂层材料技术教育部重点实验室及云南省高校先进涂层材料设计与应用重点实验室主任。长期从事超高温热障涂层材料（Thermal Barrier Coatings）、材料基因工程、稀贵金属高温材料的研究。

邮箱：jingfeng@kust.edu.cn

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Yan X, Pan H, Zhang Y, et al. Highly enhanced thermoelectric and mechanical performance of copper sulfides via natural mineral in-situ phase separation. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(5): 641-651. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220885

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。