利用热电材料将废热能量转换成电能，实现能源高效利用，对解决能源危机具有重要意义。高性能热电材料不但要求其具有高的热电品质因子ZT，同时由于受材料热稳定性等因素限制，热电材料有着不同的适用工作温区。根据工作温区一般可将热电材料划分为低温热电材料，代表性的有Bi₂Te₃，它可在200˚C以下实现有效的热电转换，最大ZT值可达1.2到1.5；高温(>900 K)热电材料，典型代表有SiGe合金材料，其ZT值对于p型和n型材料分别可达1和1.5；大多数废热源一般处于中温(约500–900K)区，因此中温热电材料具有广泛的用途。目前实用的中温热电材料还不多，代表性的有PbTe，其n型和p型材料ZT值分别可达1.3和2.2，但由于该材料含有高浓度重金属Pb，因此在实际应用中会带来一定的环境污染问题。In₄Se₃是一种潜在的环境友好中温热电材料，其单晶沿bc平面ZT值可达1.5，但ab平面ZT值却只有0.5，由于单晶生长相对困难，且成本较高，因此，限制了该类材料的实际应用。许多材料学家尝试利用掺杂改性实现In₄Se₃粉末热电性能的提升，目前最好水平只达到ZT值约0.93，离实际应用还有一定差距。 

　　在国家自然科学基金重点和面上项目的支持下，福建物构所结构化学国家重点实验室吴立明课题组在对In₄Se₃体系掺杂的理论研究工作及结构化学分析的基础上，发现了In₄Se₃晶体结构中具有4个独立对称性的In原子，而不同金属原子对这些In原子的取代特性并不同相同。计算表明，Pb原子可以取代In4位点，并能有效提高该类材料的载流子浓度，而Sn原子则具有优先取代In2位点的特性。在此分析基础上，该研究组创新性地提出了利用多种原子分别取代不同In原子位点的热电材料共掺杂方案，以期对In₄Se₃体系的热电性能实现综合改性。实验工作表明，通过Pb/Sn共掺方案能有效改善该材料热电性能，使得掺杂后In₄Se₃体系热电ZT值提升到1.4，从而有望进入实用阶段。由于材料中只含Pb约1%，与传统中温热电材料PbTe相比较，大大降低了重金属Pb的环境污染问题。该工作相关研究成果发表在国际重要期刊《先进材料》（Advanced Materials）杂志(2013，ASAP, DOI：10.1002/adma.201302038)上。如何进一步保持高热电性能，同时又完全替代Pb金属的研究工作正在进行中。 

　　                                                                                           （科技处供稿）