化学键操控解锁高性能离子键热电材料

将废热转化为有用的电能

每天，发动机、工厂和发电厂向空气中释放大量未被利用的热量。热电材料提供了一种将部分废热直接转化为电能的途径，且无需机械运动部件。但大多数最佳热电材料依赖稀有或有毒元素。本研究探索如何重新设计一种基于锰和碲的简单类盐材料，使其在保持相对丰富且对环境友好的同时更有效地收集热量。

类盐晶体为何表现欠佳

经典的热电材料要像金属那样良好导电，同时又要像隔热泡沫那样阻挡热传导。许多有前景的离子化合物在原子层面类似盐，但未能满足这一要求，因为电子紧密地局限在单个原子周围。在碲化锰（MnTe）中，这种强烈的离子键形成了较大的电子能隙，使电荷难以移动。与此同时，晶格振动能够高效传递热量，进一步降低了效率。挑战在于放松这些键的束缚，使电荷能更自由地流动，同时又减缓热的传播。

温和重写原子连接

研究者通过所谓的键工程来解决这一问题：有选择地用其他元素替换部分MnTe中的原子，以改变原子间共享电子的方式。通过将MnTe合金化为含有锗、银、锑和碲的化合物，他们重塑了局部的键合环境。计算机模拟显示，在纯MnTe中，电子主要集中在碲原子上，锰原子相对贫电子。替换后，电子在不同原子之间分布得更均匀，表明键从非常离子的特征向更具共价性质的共享发生了转变。这种变化不仅有利于电荷载流子的移动，还促使晶体从六方结构向更对称的立方结构转变，从而有利于电输运。

让电荷畅通而热量受阻

这些受控的键合变化带来了两方面的互相关联收益。在电学方面，新的立方多元素材料获得了更多的载流子和更高的迁移率，因此电导率显著提高。同时，靠近价带顶部的能带重塑增加了载流子的有效质量，以此增强塞贝克系数（衡量温差驱动电压能力的指标）。在热学方面，情况恰恰相反：更长、更柔软的键以及从点缺陷到层错和晶界的多尺度缺陷层次，作为传播热的晶格振动的阻碍。因此，晶格热导显著降低，有助于将热量在“热端”滞留足够长的时间以被转化为电能。

从更好材料到可工作的器件

将这些效应综合起来，改性的基于MnTe的材料在773 K时实现了约1.6的峰值热电优值zT，并在室温到773 K区间获得了约0.9的高平均zT。这些数值是迄今为止该类离子碲化锰材料报道的最高值。研究团队随后构建了一个小型热电模块，将他们的新型P型MnTe基腿与已成熟的N型和低温用腿结合。在473 K的温差下，该器件达到了约11%的能量转换效率，可与基于更传统化学体系的一些最佳中温热电系统相媲美。

为简单化合物开辟新途径

简而言之，这项工作表明，通过精心调整晶体内原子的键合方式，可以将性能欠佳的类盐材料转变为高效的热电转换器。通过使电子不再高度局域化并在晶体中引入受控的“粗糙度”，材料实现了更好的电导同时降低了热传导。以键为中心的设计策略可以扩展到其他离子化合物，为静态固态器件悄然将废热回收为有用电能开辟新的选择。

引用: Li, H., Lyu, S., Li, X. et al. Chemical bonding manipulation unlocks high performance ionic-bonded thermoelectrics. Nat Commun 17, 4384 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70922-1

关键词: 热电材料, 废热回收, 键工程, 碲化锰, 离子半导体