熱電材料利用Seebeck效應(yīng)和Peltier效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換，具有無(wú)噪音、無(wú)污染、可靠性高和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在汽車尾氣廢熱、工業(yè)余熱和太陽(yáng)能發(fā)電以及特殊制冷等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。熱電材料的轉(zhuǎn)換效率由無(wú)量綱的熱電優(yōu)值ZT（=S2σT/κ）來(lái)表征，其中S和σ是材料的Seebeck系數(shù)和電導(dǎo)率，T為絕對(duì)溫度，κ為熱導(dǎo)率，S2σ稱為功率因子。高ZT值的熱電材料需要具備高Seebeck系數(shù)，高電導(dǎo)率以及低熱導(dǎo)率（包括電子熱導(dǎo)率κe和晶格熱導(dǎo)率κph）。
近年來(lái)，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)成功合成了碳納米管、碳納米線和石墨烯等碳基材料。相比于傳統(tǒng)材料，碳材料具有環(huán)境相容性好、碳源豐富且便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。碳納米管以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)等性質(zhì)引起了研究人員的廣泛關(guān)注。在具有優(yōu)異導(dǎo)電性能的同時(shí)，碳納米管的熱導(dǎo)率也非常高，這極大地限制了在熱電方面的應(yīng)用。據(jù)報(bào)道，人們嘗試將碳納米管制備成三維碳材料，試圖通過(guò)管間的強(qiáng)相互作用降低其過(guò)高的熱導(dǎo)率從而提高其ZT值。然而，在這些三維碳材料中，碳納米管的結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的扭曲，其電學(xué)性能顯著降低。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所結(jié)合了第一性原理計(jì)算、玻爾茲曼輸運(yùn)理論和分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了一種三維雜化的有序碳納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的熱電輸運(yùn)性能。研究發(fā)現(xiàn)，這種有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)類似于碳納米管，在平行管徑方向能帶色散明顯而在垂直管徑方向基本沒(méi)有色散，這種能帶決定了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能接近于碳納米管。并運(yùn)用玻爾茲曼輸運(yùn)理論計(jì)算驗(yàn)證了這種推測(cè)。在合適的摻雜條件下，碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出較高的Seebeck系數(shù)和適中的電導(dǎo)率，功率因子可以優(yōu)化到較高水平。在熱導(dǎo)率方面，分子動(dòng)力學(xué)模擬表明管間的成鍵作用使得碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率比碳納米管至少降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。在900 K附近，(9,0)碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化ZT值可達(dá)到0.8，這一結(jié)果比碳納米管的最優(yōu)化ZT值提高了一個(gè)量級(jí)。此外，通過(guò)一定的方法可以進(jìn)一步降低碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率，這將進(jìn)一步提高體系的熱電性能。此項(xiàng)研究結(jié)果為碳材料應(yīng)用在環(huán)境友好的高性能熱電材料方面提供了一種思路。相關(guān)成果已發(fā)表在國(guó)際期刊RSC Adv. 4, 42234 (2014)上。
該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（11404350）、中國(guó)博士后基金（2014M551782）、寧波市自然科學(xué)基金（2014A610003）和寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2014B82004）的支持。
