MXene复合与熔体旋甩协同优化Ti0.5Zr0.5NiSn0.98Sb0.02热电性能研究

本文系统研究了通过熔体旋甩（melt-spinning）与MXene（V2CTx）复合技术协同优化Ti0.5Zr0.5NiSn0.98Sb0.02基Half-Heusler（HH）热电材料性能的策略。结果表明，MXene的引入显著提升载流子浓度与电导率（σ），同时通过增强声子散射有效降低晶格热导率（κL），最终使ZT值在800 K时达到0.86，较基体提升75%。该工作为高性能中高温热电材料设计提供了新思路。

　　

Highlight

本研究通过真空电弧熔炼、熔体旋甩及热压烧结工艺制备了Ti_0.5Zr_0.5NiSn_0.98Sb_0.02 - x wt% MXene（V₂CT_x）复合材料（0 ≤ x ≤ 3），并系统分析了其热电性能。结果表明，MXene的复合可同步提升功率因子（PF）并降低热导率。纳米复合材料的电导率因载流子浓度增加而显著提高，x = 2.5样品的最大增幅达64%。同时，晶格热导率显著降低，x = 2.5样品在800 K时达到最小值0.92 W·m^-1·K^-1。这一降低归因于V₂CT_x纳米片引入的界面增强了声子散射。最终，x = 2.5样品在800 K时获得最大ZT值0.86，较基体提升75%。本工作证明MXene复合可有效降低Half-Heusler热电材料的晶格热导率并实现优异热电性能。

Section snippets

Sample preparation

Ti_0.5Zr_0.5NiSn_0.98Sb_0.02基体通过电弧熔炼、熔体旋甩及热压烧结三阶段工艺合成。将高纯度Ti（99.995%）、Zr（99.99%）、Ni（99.98%）、Sn（99.9%）和Sb（99.9%）按化学计量比称量后，在高纯氩气氛下的铜坩埚中进行电弧熔炼。为确保均匀性，铸锭反复熔炼五次。随后将铸锭装入高真空室内的石墨坩埚中，进行熔体旋甩处理。

Phase and microstructure

图3展示了Ti_0.5Zr_0.5NiSn_0.98Sb_0.02 - x wt% MXene（V₂CT_x）（0 ≤ x ≤ 3）的粉末XRD图谱。与标准TiNiSn PDF卡片（ICDD No. 65-0617）对比，所有样品均显示主导的TiNiSn相。这些结果证实熔体旋甩结合热压合成路线可制备高纯度单相Ti_0.5Zr_0.5NiSn_0.98Sb_0.02基体。值得注意的是，Ti_0.5Zr_0.5NiSn_0.98Sb_0.02基体的主衍射峰略微偏移，表明晶格参数因MXene复合而发生微小变化。

Conclusions

通过高温真空电弧熔炼、熔体旋甩和热压烧结制备的Ti_0.5Zr_0.5NiSn_0.98Sb_0.02 - x wt% MXene（V₂CT_x）复合材料（0 ≤ x ≤ 3）表现出较电弧熔炼样品显著降低的热导率。本工作系统研究了MXene复合对微观结构、电子和热输运性能的影响。所有组分均展示出增强的热电性能，其中2.5 wt% MXene复合材料在800 K时获得最大ZT值0.86，较基体提升75%。该策略为高性能中高温热电材料开发提供了有效途径。