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科研學術
3呂兵教授團隊在材料科學領域TOP期刊上發表研究論文
2023-03-23 17:21     (點擊次數:)

 

  近期,3呂兵教授、中央民族大學王文忠教授(貴州師範大學特聘教授)作為通訊作者指導的碩士研究生周浪在材料科學領域SCI一區Top期刊《Applied Surface Science》在線發表題為“Understanding the origins of low lattice thermal conductivity in a novel two- dimensional monolayer NaCuS for achieving medium-temperature thermoelectric applications”的研究論文。

  熱電材料作為一種新型的清潔能源材料,能將廢熱轉化為電能,是近年來能源轉換材料領域的研究熱點。但是熱電材料轉換效率低成為目前制約熱電轉換技術發展的主要瓶頸,探尋具有更高性能的熱電材料成為學界亟待解決的問題。本研究基於遺傳算法設計了新型二維材料NaCuS,並考慮了電-聲耦合效應,計算結果表明2D NaCuS熱電材料在中溫區具有好的應用前景(500K:ZT=1.44)。通過利用晶體軌道哈密頓布居 (COHP)分析,費米能級下麵的反鍵軌道填充引起了較弱的Cu-S化學鍵,弱化學鍵和聲子強非諧性共同導致了2D NaCuS的本徵低晶格熱導率。

圖1.(a)2D NaCuS的晶格熱導率;(b)2D NaCuS的熱電優值ZT

  為了深入研究其中的物理機制,文章詳細分析了散射過程(平面外聲學模式(ZA)+光學模式(O)→O(ZA + O→O),平面內橫向聲學模式 (TA) + O → O (TA + O → O),以及平面內縱向聲學模式(LA) + O → O (LA + O → O)),我們發現二維 NaCuS 具有很強的聲子非諧性,為進一步提高熱電效率提供了重要的理論依據。

圖2.(a)三聲子散射相空間的頻率依賴性;(b)-(d)ZA、TA和LA聲子模在300K的散射通道分析

  論文第一作者為2020研究生周浪,該工作得到國家自然科學基金(No. 62175265, 61575225)的資助。

  文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.156167

  此外,1清潔能源實驗室圍繞氫能積極開展實驗研究,呂兵教授和中央民族大學王文忠教授(貴州師範大學特聘教授)所指導的2021級研究生胡城瑋的論文”Bias-free visible light-driven photoelectrochemical water splitting of type II ZnO/CuS core/shell heterojunction nanotube arrays”被工程技術領域SCI二區Top期刊《International Journal of Hydrogen Energy》接收。

 

圖1.(a)ZnO納米棒陣列的頂視圖; (b)-(c)ZnO納米管陣列的頂視圖和側視圖; (d)-(f) ZnO/CuS-3, ZnO/CuS-6 and ZnO/CuS-9 異質結的頂視圖

圖2. ZnO納米管陣列和ZnO/CuS-6納米管陣列的(a)光吸收光譜和(b)帶隙能量圖

圖3.ZnO和ZnO/CuS NTAs納米管陣列光陽極在無偏置電壓下的光電流密度(λ>420 nm)

  在這項工作中,CuS納米粒子(NPs)通過連續離子層吸附(SILAR)在ZnO納米管陣列(ZnO/CuS NTAs)上,不施加偏壓,在可見光照射下進行水分解。CuS NPs從可見光到近紅外區域的出色光吸收能力不僅將ZnO NTAs的光吸收擴展到近紅外區域,而且大大提高了300至800 nm的光吸收。在不施加偏壓的情況下,ZnO/CuS NTAs光陽極在可見光照射(λ>420 nm)下表現出顯著提高的水分解性能。ZnO/CuS NTAs光陽極的光電流密度為21.2μA/cm2,與純ZnO NTAs光陽極相比提高了9倍。ZnO/CuS NTAs水分解性能的提高歸因於:(1)ZnO和CuS的協同作用;(2)通過CuS NPs增強從可見光到近紅外區域的光吸收; (3)通過能帶對齊實現有效的載流子分離。

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