新型硒化银热电材料接近商用品质

热电（TE）材料能够在热能与电能之间直接相互转换，是电子元件冷却、废热回收等领域的重要技术，近年来备受关注。韩国化学技术研究院（KRICT）姜永勋博士团队近日报道，他们开发出一种基于硒化银（Ag₂Se）的环保高性能热电材料，其制备所需的温度和压力都显著低于传统工艺。相关成果发表在期刊《Advanced Composites and Hybrid Materials》上。

热电效应与应用背景

热电材料的核心工作原理依托两种效应：

• 佩尔帖效应：电流通过材料时会引起局部加热或冷却，可用于主动冷却。
• 塞贝克效应：材料两端存在温度差时会产生电压，从而输出电能。

在应用上，佩尔帖效应已被用于计算机元件、便携式冰箱等冷却设备；塞贝克效应则被用来构建热电发电机，典型场景包括航天器供电，以及工业生产和汽车尾气中的废热发电等。

现有材料的局限

目前应用最广泛的商业热电材料主要是基于碲化铋（Bi₂Te₃）。这类材料依赖碲等稀有元素，面临资源稀缺、价格波动和环境负担等问题。同时，为获得高性能，往往需要复杂的合金化与掺杂步骤，制备工艺繁琐且成本较高。

选择硒化银作为替代方案

为突破上述限制，研究团队选用了由银（Ag）和硒（Se）构成的硒化银（Ag₂Se）体系。与碲相比，银和硒资源相对更丰富，环境负担较小，有望成为更简洁、更加环保的热电材料候选。

团队采用溶液法合成了Ag₂Se纳米颗粒，并通过引入过量硒，设计出富硒成分Ag₂Se₁.₂。随后利用简单的热处理工艺，将其制备成致密的块体热电材料。

利用低熔点硒实现致密化

该工艺的关键在于充分利用硒的较低熔点。在退火过程中，硒会先转变为液相，并渗入Ag₂Se晶粒之间的空隙，形成液相辅助的晶粒长大和致密化过程：

• 液态硒填充并连接晶粒间的孔隙，增强晶粒之间的接触与结合；
• 孔隙率降低，有利于提高电导率；
• 同时对晶格热导率起到抑制作用，从而改善整体热电性能。

通过这一机制，研究人员在较低温度和常压条件下就获得了结构致密、性能优异的块体材料。

性能接近商业碲化铋材料

研究结果显示，优化后的Ag₂Se₁.₂材料在393 K（约120°C）时实现了最大热电优值（zT）0.927，其性能已接近当前商业碲化铋热电材料的水平。

除了热电性能外，该材料的机械性质也有显著提升：

• 抗压强度提高超过两倍；
• 杨氏模量同样提升超过两倍。

这意味着材料在承受外力和适应复杂形状方面表现更好，更适合用于复杂结构或曲面器件中。

低温常压工艺降低成本

值得关注的是，这一制备路线仅需在约350°C下进行简单退火，并且在常压条件下即可形成致密块体结构，无需传统工艺中常见的：

• 约1000°C的高温烧结；
• 数百兆帕级别的高压压制。

工艺大幅简化，有助于降低设备和能耗成本，为未来规模化生产提供了更具经济性的路径。

潜在应用与前景

研究团队预计，这种基于Ag₂Se的热电材料可优先应用于：

• 工业流程中的局部废热回收；
• 数据中心的热管理与小规模热电发电；
• 太阳能热系统中的辅助发电模块等。

从长期看，该材料也有望成为可穿戴物联网设备和医疗传感器的电源候选，通过人体或环境温差实现自供能。

团队总结指出，本次工作的核心突破在于：在无需复杂掺杂、也不依赖高温高压烧结的前提下，实现了高性能、环保且工艺简化的热电材料，为低成本热电技术的发展提供了新的方向。