钛掺杂钴铝尖晶石优化热电性能实现高效室温能量转换

本研究通过钛(Ti4+)异价掺杂钴铝尖晶石(CoAl2O4)，系统探究了掺杂浓度(0.02-0.10 wt%)对材料结构、电输运和热导率的影响。研究发现2% Ti掺杂使材料实现p-n型转变，获得最高功率因子(53.4 nWcm-1K-2)，并成功构建输出电压达4.27 mV的π型可穿戴热电器件，为开发环保型室温热电材料提供了新思路。

　　

在能源危机与环境污染的双重压力下，开发能将废热直接转化为电能的热电(TE)材料成为研究热点。传统热电材料如Bi₂Te和PbTe虽性能优异，但存在成本高、毒性大等缺陷。相比之下，金属氧化物因其环境友好、稳定性好等优势备受关注，但其热电性能亟待提升。钴铝尖晶石(CoAl₂O₄)作为典型的p型半导体，具有独特的晶体结构（Co²⁺占据四面体位，Al³⁺占据八面体位）和优异的化学稳定性，但其本征电导率较低限制了热电应用。

针对这一挑战，SRM科学技术学院（印度）化学系的Bharani Dharan Sethuraman等研究人员创新性地采用微波辅助溶液燃烧法，通过Ti⁴⁺异价掺杂(0.02-0.10 wt%)调控CoAl₂O₄的电子结构，系统研究了掺杂浓度对材料热电性能的影响规律，相关成果发表在《Inorganic and Nuclear Chemistry Letters》。

研究采用微波燃烧法快速合成材料，通过X射线衍射(XRD)分析晶体结构，场发射扫描电镜(FESEM)和透射电镜(TEM)观察形貌，紫外-可见漫反射光谱(UV-DRS)测定光学带隙，X射线光电子能谱(XPS)验证元素价态，四探针法和塞贝克系数测试系统评价电输运性能。

X射线衍射分析

XRD显示所有样品均保持立方尖晶石结构。随着Ti掺杂量增加，晶格参数从8.103 ?(未掺杂)增至8.113 ?(Ti_0.10CoAl₂O₄)，证实Ti⁴⁺成功取代四面体位的Co²⁺并引入氧空位。

形貌与元素分布

FESEM显示材料呈现万寿菊花状形貌，元素面扫证实Ti均匀分布。TEM观察到立方微结构中存在明显缺陷，这些缺陷有利于声子散射降低热导。

光学与电子结构

UV-DRS显示三重吸收峰，带隙从3.05 eV(未掺杂)降至2.98 eV(Ti_0.02CoAl₂O₄)。XPS证实Ti⁴⁺的存在及氧空位形成。

电输运性能

Ti_0.02CoAl₂O₄表现出最优性能：电导率0.1186 S/m，载流子浓度-1.14×10¹⁷ cm^-3，塞贝克系数从+689.9 μV/K(未掺杂)转变为-671 μV/K，实现p-n型转变。热导率在低掺杂时最低(0.0523 W/mK)，最终获得最高功率因子53.4 nWcm^-1K^-2。

可穿戴器件应用

将p型CoAl₂O₄与n型Ti_0.02CoAl₂O₄通过真空过滤法负载于棉织物构建π型器件，在7.8 K温差下产生4.27 mV输出电压。

该研究首次揭示了Ti掺杂浓度与CoAl₂O₄热电性能的构效关系：适度掺杂(2% Ti)通过引入氧空位和调控载流子浓度，在保持低热导率(0.0523 W/mK)的同时显著提升功率因子。所开发的可穿戴器件展示了室温废热回收的应用潜力，为设计环保型热电材料提供了新策略。这项工作不仅填补了Ti_xCoAl₂O₄体系热电性能研究的空白，其微波快速合成方法也为功能材料制备提供了技术参考。