近日，我校化学与化工学院刘玉课题组与材料科学与工程学院闫健课题组，联合南昆士兰大学洪敏和浙江大学温州研究院张宇打破中温热电器件的功率密度纪录，在PbTe基热电材料及器件构筑研究中取得重要进展。相关成果以“Synergistic Microstructure and Composition Engineering via Na₂S Enables High-Performance Porous PbTe Thermoelectrics with Ultrahigh Device Power Density”为题，发表在国际著名期刊《Advanced Materials》（先进材料）上。合肥工业大学为第一/通讯单位，化学化工学院2024级博士生卢少卿为论文第一作者。

中温余热回收要求材料兼具高功率因子PF与低热导率κ，但电子输运与声子传热强耦合。尽管PbTe具有可调能带和低晶格热导κ_L，但受限于Na受主固溶度、界面散射不足与高温双极热导κ_b等瓶颈，其材料优势难以稳定转化为器件端的功率密度与效率。因此，亟需在多尺度微结构上实现宽谱声子散射，并在成分与能带层面协同优化受主浓度与能谷收敛的策略，使材料性能能够以可验证的方式持续映射到器件层面的同步提升。

本研究提出“Na₂S协同的微结构-组分共设计”路线：在真空固相熔融-快淬火-热压工艺中，Na₂S热分解释放含硫挥发物，原位诱导纳米至微米分级孔结构，同时保留的Na优先进入晶格占位形成受主掺杂，并在晶界处原位生成纳米析出相与高密度位错场。由此构建的“孔-析出相-位错-细晶”多级散射网络显著抑制κ_L，同时通过L-Σ谷收敛与空穴浓度优化保持超高PF，进而实现电-声输运的解耦。

图1.Na₂S协同设计多孔PbTe热电材料：工艺与机理示意、材料的热电性能，以及单对偶器件的功率密度及其与文献的对比。

最终，在材料层面，Pb_0.97Na_0.03Te-1.0%Na₂S在823 K获得zT_max~2.2，并在623-823 K区间实现zT_avg~1.9，体现出在中温域的高性能；循环与高温持续运行未见性能衰减，热稳定性良好。在器件层面，基于该材料制备的单腿器件在ΔT=395 K条件下实现13.4%的热电转换效率；进一步与N型方钴矿（Yb_0.25Co_3.75Fe_0.25Sb₁₂）集成的单对偶器件在ΔT=375 K条件下实现超高功率密度2.2 W cm^-2的输出。

图2.硫醇-胺配合物前驱体化学与界面工程协同优化高效SnTe热电材料

此外，在与PbTe同族且同属中温段典型热电材料SnTe体系中，刘玉课题组提出并验证了硫醇与胺配合物驱动的可控前驱体化学与分子级界面工程的协同策略，在溶液体系中实现SnTe纳米晶的规模化制备，并揭示了前驱体化学、表面终止及界面结构对能带调控与声子散射的关键作用机制，从而兼顾载流子输运与晶格热导抑制，推动SnTe在中温热电区间的综合性能提升。相关成果发表于国际著名期刊《ACS Nano》。本研究拓展了团队在近室温Ag₂Se体系的调控思路（J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 32199-32208），以分子层级可控化学为出发点贯通合成、界面与输运，形成普适性策略范式。化学与化工学院2023级硕士研究生孟维特为为论文第一作者，化学与化工学院刘玉、浙江大学Khak Ho Lim和南昆士兰大学洪敏为本文共同通讯作者。

以上研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费以及安徽省留学人员创新重点项目等经费的支持。

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202512589

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.5c12627

（刘玉/文 卢少卿/图 张金锋/审核）

责任编辑：卫婷婷