日前，昆明理工大学材料科学与工程学院金属先进凝固成形及装备技术国家地方联合工程研究中心葛振华、冯晶团队在硫化物热电材料性能调控方面取得重要进展。

图1 硫化铋热电材料中的多孔结构设计策略示意图及性能对比图

首先是在硫化铋热电材料的多孔结构设计及热电性能提升方面取得重要进展，相关研究以《Porous Bi2S3 Bulk With Excellent Thermoelectric Performance by Solid States Replacement and Low Melting-Point Metal Volatilization》为题，发表在材料科学领域顶级期刊Advanced Materials。昆明理工大学为第一作者单位，材料科学与工程学院博士研究生王子渊为第一作者，葛振华教授、冯晶教授为通讯作者。

在块体热电材料中引入多孔结构已被证实能够有效地降低晶格热导率以实现热电优值的提升。然而，基体/孔界面处的强散射往往牺牲了电输运性能，不利于材料的器件化。该项工作借鉴于矿石精炼工艺，提出了一种新颖且具有普适性的方法，该方法将固态置换反应与低熔点金属挥发作用相结合，用于在块体热电材料中构建多尺度的多孔微观结构。该策略通过FeCoNi掺杂以及通过固态取代反应形成的原位Bi析出相，优化了载流子浓度和迁移率。并且通过多尺度缺陷工程，特别是通过Bi的挥发形成的多孔结构显著抑制晶格热导率。最终，在n型Bi2S3中实现了773 K时创纪录的高峰值ZT值~1.1。除了电-声输运的优化外，该方法还提高了Bi2S3的力学性能，并在其他硫属化合物热电材料体系（如PbS和SnS）中也表现出通用性。该项工作将高性能热电材料设计与冶金反应化学相结合，为实现多孔微观结构设计提供了新的策略，为获得高性能的硫属热电材料提供了新的方法。

图2 相分离策略调控Cu1.8S热电材料固溶度的示意图及性能提升效果。

其次在硫化铜热电材料的固溶度逆向调控方面取得重要研究进展，相关研究以《Phase Separation Engineered High Thermoelectric Performance in Copper Sulfides via Solid Solubility Modulation》为题，发表在材料科学领域顶级期刊Acta Materialia上，昆明理工大学为第一作者单位，材料科学与工程学院博士研究生杨添驭为第一作者，葛振华教授、冯晶教授为通讯作者。

材料的固溶度通常决定了元素掺杂的成功与否。高溶解度有助于实现均匀掺杂，低溶解度则伴随着第二相的析出。在这项工作中，将FeCoNi合金及其扩展形式添加到Cu1.8S基体中，发现了通过相分离调控固溶度的新见解。结果表明，合金形式的掺杂剂更有利于相分离，这与固溶度降低的实验现象相对应。得益于固溶度的降低，在基体中设计出了规则的纳米析出相，显著降低了热导率，在773 K时达到了约0.44 Wm-1K-1的最低值。最终，在773 K时，Cu1.8S + 2.5wt.% FeCoNi的样品热电优值达到1.45，平均ZT在323至773 K范围内为0.61。此外，力学性能和稳定性也得到了改善。研究结果表明了一个新的发现：合金掺杂有助于降低掺杂剂的溶解度并提升热电性能。这一策略有望适用于其他研究体系的溶解度调控及性能提升。

德国于利希电镜研究中心金磊研究员、华南理工大学郑风珊教授、南方科技大学何佳清教授对上述研究作出了重要贡献。课题得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、云南省应用基础研究计划重点等项目的资助。

论文1链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202521215

论文2链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121889

（供稿：材料科学与工程学院）