La和Ta共掺杂CaMnO3的热电性能优化及其在绿色能源转换中的应用研究

本文报道了通过固相反应法合成La-Ta共掺杂CaMnO3（Ca1-xLaxMn1-yTayO3）陶瓷材料的研究成果。XRD和FE-SEM分析表明，掺杂导致晶格膨胀并形成纳米线状结构，使电导率提升两个数量级（178 S·cm-1@573 K），功率因子（PF）达263 μW·m-1·K-2，ZT值0.132@1075 K。该研究为氧化物热电材料性能优化提供了新策略。

　　

Highlight

本研究通过La³⁺（A位）和Ta⁵⁺（B位）共掺杂策略，显著提升了n型CaMnO₃的热电性能。X射线衍射（XRD）证实掺杂引起晶格膨胀，场发射扫描电镜（FE-SEM）显示微观结构从多边形颗粒转变为紧凑纳米结构，甚至出现纳米线形貌。

Structural analysis

XRD图谱显示纯CaMnO₃在2θ=23.5°-71.1°范围内呈现多晶衍射峰，最强峰为（1 2 1）晶面。La-Ta共掺杂后衍射峰向低角度偏移，证实晶格参数增大，且所有样品均保持单相正交钙钛矿结构。

Conclusion

La-Ta共掺杂通过以下机制协同优化性能：

1. 电导率提升：Ta⁵⁺引入额外载流子，Mn³⁺-O-Mn⁴⁺双交换机制增强电子传输；

2. 热导率降低：重元素La/Ta增强声子散射；

3. 微观结构调控：纳米线形貌增加界面散射。最佳组分Ca_0.975La_0.025Mn_0.975Ta_0.025O₃的功率因子比未掺杂样品提高近100倍，展现其在高温热电转换中的应用潜力。