掺杂还原氧化石墨烯的Ag2 Te/BNT纳米复合材料在热电转换材料中的高效制备与性能研究

本研究针对热电材料工作温度受限（<1500 K）和传统材料成本高、环境不友好的问题，通过水热法和溶胶-凝胶法制备了还原氧化石墨烯（rGO）掺杂的Ag2 Te（p型）和Bi0.5 Na0.5 TiO3 （BNT，n型）纳米复合材料。研究发现，该材料在700-800 K温度区间内实现了1.8×10–4 K-1 的高优值系数（ZT），其塞贝克系数达220 μV/K，为开发低成本、环境友好的高温热电材料提供了新思路。

　　

随着全球能源危机加剧，热电材料因其能将废热直接转化为电能而备受关注。然而现有材料面临两大瓶颈：工作温度难以突破1500 K，且高性能材料多含昂贵或有毒元素。更棘手的是，传统热电材料在高温下稳定性差，而氧化物材料虽稳定性好却普遍存在ZT值低的缺陷。如何开发兼具高温稳定性、优异热电性能和低成本的新材料，成为该领域亟待解决的难题。

针对这一挑战，国内研究人员在《Nano Trends》发表了创新性研究。他们巧妙地将还原氧化石墨烯（rGO）与两种特色材料结合：窄带隙半导体Ag₂
Te（具有低热导率和高电子迁移率）和钛酸铋钠BNT（环境友好的弛豫铁电体）。通过水热法和溶胶-凝胶法分别合成rGO掺杂的Ag₂
Te（p型）和BNT（n型）纳米复合材料，采用旋涂技术在氟掺杂氧化锡（FTO）玻璃上制备薄膜器件。研究团队运用场发射扫描电镜（FESEM）、X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）等多尺度表征手段，结合热电参数测试系统，全面解析了材料的结构-性能关系。

关键技术方法包括：1）通过水热法合成rGO掺杂的Ag₂
Te纳米结构；2）采用溶胶-凝胶法制备BNT纳米粉体；3）利用火花等离子烧结（SPS）技术快速制备高致密度复合材料；4）通过旋涂技术在FTO基底上制备p-n结薄膜器件；5）采用激光闪射法测量热扩散系数。

结晶与微观结构各向异性
FESEM显示rGO-Ag₂
Te复合材料形成均匀的纳米棒与片状结构共存形貌，而BNT晶粒尺寸更大。TEM证实10% rGO掺杂的样品具有最佳结晶性，无明显缺陷。XRD谱图显示复合材料保持良好结晶度，最优性能出现在10% rGO掺杂比例。

电学与热电参数研究
随着温度升高，电导率和塞贝克系数同步增加，在500 K达到峰值。10% rGO掺杂样品表现出220 μV/K的高塞贝克系数。热导率随温度升高持续下降，证实声子散射主导热传输机制。通过Wiedemann-Franz定律计算发现，电子对热导率的贡献仅占小部分。

优值系数与功率因子
在850 K时，10% rGO掺杂样品获得1.8×10^–4
K^-1
的ZT值，比未掺杂样品提高25-50%。功率因子达到1.72 mW m^-1
K^-2
，是纯rGO薄膜的6倍。这种提升源于rGO构建的导电网络增强了载流子迁移率，同时纳米结构有效散射声子降低热导率。

能带结构调控机制
研究发现n型BNT-rGO复合材料中导带平坦化可增加有效质量，提升塞贝克系数；而p型材料中能带收敛通过增加能谷简并度优化性能。这种能带工程策略使材料在保持高电导率的同时获得优异的塞贝克系数。

这项研究的重要意义在于：首次实现了rGO同时作为n型和p型热电材料的掺杂剂，开发出性能匹配的互补型热电对。通过巧妙的材料设计和纳米结构调控，在相对低温区（700-800 K）获得突破性ZT值。特别值得注意的是，所用原料成本低廉且环境友好，采用的溶液法合成和旋涂工艺易于放大生产。该工作为开发新一代柔性、轻量化热电器件提供了重要参考，在汽车废热回收、可穿戴设备等领域具有广阔应用前景。研究还揭示了石墨烯基复合材料中载流子传输与声子散射的协同调控机制，为后续设计高性能热电材料提供了理论指导。