近日，澳大利亚研究理事会零排放发电与碳中和研究中心（ARC ZeroPC Hub）科研团队开发出一种镁保留辅助合成策略（Magnesium-Retention Assisted Synthesis，MRAS），有效解决了镁在高温合金化过程中易挥发、反应活性高和成分难以精准控制等长期难题，为高性能镁基热电材料的低成本、规模化制备提供了新路径。相关成果发表于国际化学期刊《Angewandte Chemie International Edition》。

热电材料能够在热能与电能之间实现直接、可逆转换，不产生机械运动或直接碳排放，可用于工业余热回收、电子器件热管理和固态制冷。然而，高性能镁基Zintl热电材料在制造过程中面临一个关键障碍：镁在高温下极易挥发并发生氧化，导致实际成分偏离设计值，产生杂相和性能波动。传统机械球磨方法可能引入未反应元素和氧化物，而钽管封装熔炼虽然能够减少镁损失，却成本较高，不利于大规模生产。

针对这一挑战，研究团队重新设计了传统熔炼过程，在惰性气体保护的管式炉内设置一个与前驱体空间分离的“牺牲镁源”。加热过程中，牺牲镁源持续释放镁蒸气，在反应区域构建富镁环境，补偿原料在熔炼过程中的镁损失，从而“留住”原本容易逃逸的镁。该设计可独立调节牺牲镁供应量和前驱体成分，无需使用昂贵的钽管封装，即可获得物相纯净、成分均匀的镁基合金。

采用MRAS策略制备的Mg₃.₁₅Bi₁.₅Sb₀.₄₉Te₀.₀₁材料形成了相互连接的富镁区域和多尺度缺陷。这些结构一方面促进载流子输运，另一方面增强声子散射、降低晶格热导率，从而实现电学与热学性能的协同优化。材料在323 K时获得41.7 μW cm⁻¹ K⁻²的高功率因子和1.2的热电优值（ZT），并在523 K达到1.8的峰值ZT。进一步在镁位引入少量钡后，点缺陷散射有效降低了热导率，同时基本保持优异的功率因子，使峰值ZT进一步提高至约1.9。

团队还组装了由MRAS材料构成的单对热电发电原型器件。在85 K温差下，器件实现43.2 μW的最大输出功率和135 μW cm⁻²的功率密度；经过50次加热—冷却循环后，仍保持约94%的初始输出功率，显示出良好的运行稳定性和界面可靠性。由于采用成本较低的镁基材料，原型模块的材料成本预计可降至传统碲化铋器件的约三分之一。

更重要的是，MRAS并非只适用于单一材料。研究团队已将其拓展至Mg₂Ge、Mg₂Sn、MgCu₂和MgAgSb等多种镁基合金，验证了这一策略在不同材料体系中的适用潜力。

该研究表明，制造工艺创新本身也能够重塑材料的成分、微结构与输运机制。MRAS为稳定含镁及其他易挥发金属的功能材料提供了一种简单、低成本且具有规模化潜力的技术平台，有望推动高性能热电材料从实验室研究走向余热回收和零排放能源转换应用。

该工作由胡博轩、史晓磊, Dmitri Golberg和陈志刚等共同完成。胡博轩为第一作者，史晓磊博士和陈志刚教授为通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.9935383

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