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摘要：通过在钛酸锶（SrTiO3）的多晶体中加氢，同时实现了高性能热电材料所需的“低热导率”和“高电输出”，成功地提高了热电转换效率，有助于推动热电转换技术的进一步普及。

关键词：氧化物、热电转换效率、热导率、轻元素氢、钛酸锶（SrTiO3）

研究小组通过在钛酸锶（SrTiO₃）的多晶体中加氢，同时实现了高性能热电材料所需的“低热导率”和“高电输出”，成功地提高了热电转换效率。有助于推动热电转换技术的进一步普及。

热电转换材料用于将废热再利用为电能，由于其含有稀有且具有毒性的元素，一直难以实现大规模实用化。因此，用于此目的的热电发电元件需要由成本低廉且对环境友好的元素组成，并且需要在室温至300℃的温度范围内具有高热电转换效率的材料。

以SrTiO₃为代表的氧化物热电材料具有由无毒且丰富的元素组成的优点，但存在热导率高、转换效率低的问题。到目前为止，人们已经采用多种方法来降低SrTiO₃多晶体的热导率，但难点在于如何同时实现低热导率和高电输出，以提高热电转换的性能。

此次，研究小组使用了与添加重元素以降低热导率的传统想法相反的想法。考虑通过添加轻元素——氢的方法降低SrTiO₃的热导率，设计了用金属箔密封SrTiO_3-xH_x的粉末压块，并在高温下进行烧结，制备了具有高浓度氢的致密SrTiO_3-xH_x多晶体。

未加氢的SrTiO₃多晶体在室温下具有高热导率（κlat），但随着2.3%（x＝0.068）的氢的添加，κlat会降低；当氢浓度增加到7.2%（x=0.216）时，κlat会进一步降低。不仅在室温下，在高达400℃的高温下也能观察到这种κlat的降低。由此可知，仅通过加氢就可以大幅降低SrTiO₃的热导率。

随后，研究小组研究了SrTiO_3-xH_x多晶体（x=0.068）的热电转换效率。添加镧的SrTiO₃多晶体的功率因数随温度下降而降低；而对于添加了氢的SrTiO_3-xH_x多晶体，随着温度下降其功率因数反而升高，且足以与无晶界的添加镧的SrTiO₃单晶相媲美。

试验结果发现，由于高功率因数和低κlat，添加氢的SrTiO_3-xH_x多晶体显示出比添加镧的SrTiO₃多晶体和单晶更高的热电转换效率。

SrTiO_3-xH_x的多晶体中的（a）功率因数、（b）电子迁移率（需注意，加权迁移率约为漂移迁移率的45倍）、（c）热电转换效率随温度的变化。

与添加镧的SrTiO₃单晶和多晶体的热电特性的比较。

原本以为含轻元素的化合物会具有更高的热导率，但此次研究发现，氢有相反的作用。通过用氢置换SrTiO₃中的部分氧，强键合力的Ti-O和弱键合力的Ti-H混合在一起，导致热导率下降。此外，添加氢的SrTiO₃多晶体的电子传导在晶体的晶界处不被阻碍，表现出与单晶材料相当的高电子迁移率。

本研究成果将成为不使用稀有元素，而由普通元素组成的高性能热电材料的新设计指南。未来，通过将本研究成果应用于各种氧化物，有望进一步提高氧化物的热电转换效率。

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通过加氢，成功地提高了氧化物的热电转换效率