基于第一性原理计算的水泥复合类比材料的热电性质

建筑每年造成全球可观比例的能源浪费及随之而来的额外碳排放。在寒冷月份与气候中热量直接散失导致供暖负荷增加，而在炎热气候中则需制冷与通风。提升建筑能效的一种途径是在建筑结构中集成热电器件与材料，以利用内外温差做功。水泥基材料在现代建筑中无处不在，并呈现出功能化的有趣机遇。我们利用密度泛函理论结合玻尔兹曼输运方法，对与硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶类比的托贝莫来石（tobermorite）这一热电材料相关的电子输运系数进行了系统研究。计算所得的塞贝克系数处于典型量级（200 - 600 $\mu V/K$），表明其为良好热电材料。由于存在高浓度 Si-O 四面体位点，托贝莫来石模型被预测为本质 $p$ 型热电材料。所计算的托贝莫来石模型电子 $ZT$ 分别在（400 $\mathrm{K}$ 与 $10^{17}$ $\mathrm{cm^{-3}}$）下取得最优值 0.983（托贝莫来石 9 \r{A}）、（400 $\mathrm{K}$ 与 $10^{17}$ $\mathrm{cm^{-3}}$）下 0.985（托贝莫来石 11 \r{A}）以及（225 $\mathrm{K}$ 与 $10^{19}$ $\mathrm{cm^{-3}}$）下 1.20（托贝莫来石 14 \r{A}）。