近期，我院吕兵教授、中央民族大学王文忠教授(贵州师范大学特聘教授)作为通讯作者指导的硕士研究生周浪在材料科学领域SCI一区Top期刊《Applied Surface Science》在线发表题为“Understanding the origins of low lattice thermal conductivity in a novel two- dimensional monolayer NaCuS for achieving medium-temperature thermoelectric applications”的研究论文。

  热电材料作为一种新型的清洁能源材料，能将废热转化为电能，是近年来能源转换材料领域的研究热点。但是热电材料转换效率低成为目前制约热电转换技术发展的主要瓶颈，探寻具有更高性能的热电材料成为学界亟待解决的问题。本研究基于遗传算法设计了新型二维材料NaCuS,并考虑了电-声耦合效应,计算结果表明2D NaCuS热电材料在中温区具有好的应用前景(500K：ZT=1.44)。通过利用晶体轨道哈密顿布居 (COHP)分析,费米能级下面的反键轨道填充引起了较弱的Cu-S化学键，弱化学键和声子强非谐性共同导致了2D NaCuS的本征低晶格热导率。

图1.(a)2D NaCuS的晶格热导率;(b)2D NaCuS的热电优值ZT

  为了深入研究其中的物理机制，文章详细分析了散射过程（平面外声学模式（ZA）+光学模式（O）→O（ZA + O→O），平面内横向声学模式 (TA) + O → O (TA + O → O)，以及平面内纵向声学模式(LA) + O → O (LA + O → O))，我们发现二维 NaCuS 具有很强的声子非谐性,为进一步提高热电效率提供了重要的理论依据。

图2.(a)三声子散射相空间的频率依赖性;(b)-(d)ZA、TA和LA声子模在300K的散射通道分析

  论文第一作者为2020研究生周浪，该工作得到国家自然科学基金（No. 62175265, 61575225）的资助。

  文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.156167

  此外，物理与电子科学学院清洁能源实验室围绕氢能积极开展实验研究，吕兵教授和中央民族大学王文忠教授(贵州师范大学特聘教授)所指导的2021级研究生胡城玮的论文”Bias-free visible light-driven photoelectrochemical water splitting of type II ZnO/CuS core/shell heterojunction nanotube arrays”被工程技术领域SCI二区Top期刊《International Journal of Hydrogen Energy》接收。

 

图1.(a)ZnO纳米棒阵列的顶视图; (b)-(c)ZnO纳米管阵列的顶视图和侧视图; (d)-(f) ZnO/CuS-3, ZnO/CuS-6 and ZnO/CuS-9 异质结的顶视图

图2. ZnO纳米管阵列和ZnO/CuS-6纳米管阵列的(a)光吸收光谱和(b)带隙能量图

图3.ZnO和ZnO/CuS NTAs纳米管阵列光阳极在无偏置电压下的光电流密度(λ>420 nm)

  在这项工作中，CuS纳米粒子(NPs)通过连续离子层吸附(SILAR)在ZnO纳米管阵列(ZnO/CuS NTAs)上，不施加偏压，在可见光照射下进行水分解。CuS NPs从可见光到近红外区域的出色光吸收能力不仅将ZnO NTAs的光吸收扩展到近红外区域，而且大大提高了300至800 nm的光吸收。在不施加偏压的情况下，ZnO/CuS NTAs光阳极在可见光照射(λ>420 nm)下表现出显着提高的水分解性能。ZnO/CuS NTAs光阳极的光电流密度为21.2μA/cm²，与纯ZnO NTAs光阳极相比提高了9倍。ZnO/CuS NTAs水分解性能的提高归因于:(1)ZnO和CuS的协同作用；(2)通过CuS NPs增强从可见光到近红外区域的光吸收; (3)通过能带对齐实现有效的载流子分离。