[SME – NGHIÊN CỨU] BÀI BÁO TIÊU BIỂU THÁNG 12

Janus 2D B2P6: A promising anisotropic thermoelectric material with high power factor.

Doi: https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.103829

Danh sách tác giả: Vương Văn Thanh^*, Đỗ Văn Trường, Nguyễn Tuấn Hưng^*

Tên tạp chí: https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.103829;            IF: 6.2, CiteScore: 7.0

Giới thiệu về nội dung nghiên cứu công bố:

       Phát triển năng lượng xanh, sạch và bền vững là vấn đề đang được cả thể giới quan tâm hiện nay, trong đó cần có các kỹ thuật chuyển đổi năng lượng mới để giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch. Trong số đó, công nghệ nhiệt điện (TE) có khả năng chuyển đổi nhiệt trực tiếp nhiệt thành điện năng hứa hẹn sẽ là giải pháp năng lượng bền vững trong tương lai. Trong thiết bị TE có hai tham số để đánh giá hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Tham số đầu tiên là tham số bằng khen ZT = S²sT/(k_el + k_ph), với S là hệ số Seebeck, s là độ dẫn điện, k_el và k_ph  là hệ số dẫn nhiệt điện tử và mạng tinh thể tương ứng, và T là nhiệt độ. Tham số thứ 2 là hệ số công suất PF = S²s. ZT là hệ số quan trọng cho các ứng dụng của nhiệt điện khi mà nguồn năng lượng nhiệt bị giới hạn, trong khi PF là quan trọng cho các ứng dụng của TE khi nguồn năng lượng nhiệt không giới hạn, ví dụ như nguồn năng lượng mặt trời. Do đó, tìm kiếm các vật liệu có PF cao cũng quan trọng như vật liệu có ZT cao.

          Vật liệu hai chiều (2D) có hiệu suất nhiệt điện cao rất được quan tâm đối với thiết bị chuyển đổi năng lượng. Trong nghiên cứu này, tính chất TE của vật liệu Janus 2D B₂P₆ được khám phá bằng việc sử dụng tính toán nguyên lý đầu (ab-initio) dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT). Kết quả tính toán thu được cho thấy hệ số PF của vật liệu B₂P₆ cao hơn so với của các vật liệu nhiệt điện 2D thông thường. Giá trị PF tương ứng lần lượt là 0,10 và 0,07 W/mK² đối với kiểu p và kiểu n ở nhiệt độ phòng (T = 300K). Nghiên cứu cũng xác định độ dẫn nhiệt tinh thể (k_ph) của vật liệu B₂P₆ dựa trên lý thuyết vận chuyển Boltzmann và tương tác giữa các phonon-phonon. Với các giá trị của k_ph tương ứng lần lượt là 41,45 và 133,3 W/mK theo hướng armchair và zigzag, giá trị tối ưu ZT của Janus 2D B₂P₆ lên tới 0,7 ở 900 K. Hơn nữa, Janus 2D B₂P₆ còn thể hiện các đặc tính cơ học dị hướng, trong đó độ bền lý tưởng của B₂P₆ theo hướng armchair và zigzag có giá trị tương ứng lần lượt là 10,7 N/m và 18,63 N/m. Kết quả của nghiên cứu cho thấy vật liệu Janus 2D B₂P₆ là vật liệu TE dị hướng linh hoạt và hứa hẹn sẽ là vật liệu có nhiều tiềm năng cho các ứng dụng của nhiệt điện.

Hình 1. (a) và (b) Cấu trúc nguyên tử của B₂P₆; (c) Nhiệt độ và năng lượng như một hàm của thời gian ở 300 K

Hình 2. Hệ số công suất PF của B₂P₆ đối với kiểu p và n