稀土基LaCoCrZ(Z=In,Sn,Sb)等原子比四元赫斯勒合金：高温热电材料的突破性探索

为解决高品位工业废热(>500°C)回收效率低下的问题，研究人员通过密度泛函理论(DFT)系统研究了LaCoCrZ(Z=In,Sn,Sb)等原子比四元赫斯勒合金(RE-EQHAs)。采用GGA+mBJ+U方法证实其半金属铁磁性，并通过玻尔兹曼输运方程计算出优异的热电优值(ZT)，为开发高温稳定、低晶格热导率(κL)的新型热电材料提供理论依据。

　　

在全球能源危机与气候变暖背景下，工业废热回收成为能源再利用的关键突破口。据美国能源部统计，50%-70%的能源以废热形式流失，其中钢铁、水泥等行业产生的高品位废热(>500°C)最具利用价值。热电材料(TE materials)能够直接将热能转化为电能，其核心指标热电优值(ZT=S²σT/κ)决定了转换效率。当前主流材料如Bi₂Te₃(ZT~1.2)在高温下性能骤降，而PbTe(ZT≈1.5)等又面临机械强度不足、热稳定性差等瓶颈。

针对这一挑战，Thiagarajar工程学院的研究团队在《Journal of Rare Earths》发表研究，聚焦稀土基等原子比四元赫斯勒合金(RE-EQHAs)LaCoCrZ(Z=In,Sn,Sb)。这类材料具有XX′YZ化学式（X为稀土元素，X′和Y为过渡金属，Z为主族元素），其复杂晶体结构、原子质量波动和强电声耦合作用可显著降低晶格热导率(κ_L)。

研究采用WIEN2k软件包中的全势线性缀加平面波(FP-LAPW)方法，结合广义梯度近似(GGA)+修正Becke-Johnson(mBJ)+Hubbard U修正的混合泛函。通过计算弹性常数验证机械稳定性，利用玻尔兹曼输运方程求解Seebeck系数、电导率(σ)和热导率(κ)，并分析电子结构、磁性和光学性质。

【结构稳定性】
三种合金均以LiMgPdSn型结构(F-43m空间群)最稳定，形成能均为负值。弹性常数满足立方晶系的力学稳定性判据，体模量B>剪切模量G，表明材料具有延展性。Debye温度(θ_D)估算显示LaCoCrSb最高(362.5K)，预示其更强的原子键合。

【电子与磁学特性】
自旋极化能带结构揭示典型的半金属性：自旋向上通道呈现金属性，而自旋向下通道显示0.72-1.08eV的禁带宽度。磁矩主要来自Co和Cr的3d电子，总磁矩符合Slater-Pauling规则，其中LaCoCrSb净磁矩达3μ_B。

【热电性能】
在800K时，LaCoCrSb展现最优异的ZT值：Seebeck系数达182μV/K，功率因子(PF=S²σ)为12.4μW/(cm·K²)，电子热导率(κ_e)显著低于κ_L。质量波动散射使κ_L降至1.8W/(m·K)，较传统半赫斯勒合金降低40%。

该研究首次系统论证了RE-EQHAs在高温热电领域的应用潜力。通过稀土元素引入的质量无序效应和复杂晶格振动，实现了"声子玻璃-电子晶体"的理想特性组合。理论预测的ZT值突破现有材料瓶颈，为航空航天、重工业等极端环境下的废热回收提供了新材料设计范式。M. Nandha Kumar等特别指出，LaCoCrSb的熔融温度(>2000K)和热稳定性使其成为火星探测器等深空任务的潜在候选材料。