Achieving Superior Thermoelectric Performance in Methoxy-Functionalized MXenes: The Role of Organic Functionalization

MXenes公司 材料科学 热电效应 热电材料 塞贝克系数 表面改性 能量转换效率 热导率 纳米技术 光电子学 物理化学 热力学 复合材料 化学 物理
作者
Nianxiang Qiu,Gang Fang,Yaolin Guo,Ying Zhang,Jichun Ye,J.-F. Yu,Shiyu Du,Peng Gao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.4c17488
摘要

Thermoelectric technology enables the direct and reversible conversion of heat into electrical energy without air pollution. Herein, the stability, electronic structure, and thermoelectric properties of methoxy-functionalized M2C(OMe)2 (M = Sc, Ti, V, Cr, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W) were systematically investigated using first-principles calculations and semiclassical Boltzmann transport theory. All MXenes, except those with M = Cr, Mo, and W, can be synthesized by substituting Cl- and Br-functionalized MXenes with deprotonated methanol, with stability governed by the M–O bond strength. Notably, semiconductors Sc2C(OMe)2 and Y2C(OMe)2 exhibit exceptionally high peak ZT values of 15.02 and 12.11 under n-type doping at 900 K, achieving a remarkable thermoelectric conversion efficiency of 53% at a temperature difference of 600 K, outperforming current high-performance thermoelectric materials. This superior performance is attributed to the weak electron-withdrawing nature of the methoxy group, which enhances nonbonding d electrons, combined with flat and degenerate band edges, and strong coupling between acoustic and optical phonons. Together, these features sustain a high Seebeck coefficient, improve electrical conductivity, and suppress lattice thermal conductivity. These findings present an effective organic functionalization strategy for designing high-performance MXenes for industrial applications and offer valuable insights for developing next-generation thermoelectric materials.
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