一種碲化鉍系納米熱電材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種碲化鉍系納米熱電材料的制備方法。該方法以原材料單質(zhì)粉末在熔融的分散體材料環(huán)境內(nèi)高溫合成碲化鉍系納米熱電材料，其中分散體材料只提供原材料生長環(huán)境不參與其反應(yīng)。所述碲化鉍系納米熱電材料在制備過程中需要排除空氣以防止材料氧化。該發(fā)明方法工藝簡單、合成物質(zhì)純度高、無雜質(zhì)、顆粒為納米級，適用于工業(yè)級合成納米熱電材料。
【專利說明】一種碲化鉍系納米熱電材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種納米熱電材料的制備方法，特別是碲化鉍系納米熱電材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]許多日常生產(chǎn)生活活動需要耗費能源同時又要釋放大量的熱能，比如工廠加工、做飯、機械運轉(zhuǎn)等等。如果能夠?qū)⑸鲜鰪U棄的熱能收集轉(zhuǎn)化為可以再次使用的能源，將會為社會節(jié)約大量的能源資源。熱電材料可以實現(xiàn)這一功能，它是一類能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能之間直接轉(zhuǎn)換的特殊功能材料，它具有Seebeck效應(yīng)和Peltier效應(yīng)。當熱電材料的兩端有一定數(shù)值溫差時，其兩端會產(chǎn)生一定的電壓，這就是Seebeck效應(yīng)，也就是溫差電效應(yīng)。Peltier效應(yīng)是Seebeck效應(yīng)的逆效應(yīng),當在熱電材料中通以一定方向的電流時，在該熱電材料的兩端將產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象。
[0003]利用上述兩個效應(yīng)，熱電材料可用于制冷和熱發(fā)電，熱電材料可用于器件冷卻、醫(yī)療、野外勘探自助用電及便攜式冰箱等。同光電轉(zhuǎn)換材料一樣，熱電材料的電熱轉(zhuǎn)換為物理的量子過程，具有無機械傳動、無噪聲、無污染、穩(wěn)定性好、使用壽命長等優(yōu)異性能。熱電材料溫差發(fā)電不僅是當前深空探測領(lǐng)域的最主要的能源供應(yīng)，而且還可用于汽車尾氣和工業(yè)余熱的回收利用，由熱電材料構(gòu)建的熱電轉(zhuǎn)換裝置是理想的電源和制冷器，熱電材料在節(jié)能和環(huán)保領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]碲化鉍(Bi2Te3)基合金是目前室溫下性能最好的熱電材料之一。熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換效率取決于無量綱的熱電優(yōu)值ZT，ZT = S2 O T/K，S為Seebeck系數(shù)，T為絕對溫度，o為電導(dǎo)率，K為熱導(dǎo)率。理想的熱電轉(zhuǎn)換效率來自于具有較大的賽貝克系數(shù)、較大的電導(dǎo)率和較低的熱導(dǎo)率，但是一般材料在電導(dǎo)率增大的同時熱導(dǎo)率也會增加，同樣熱導(dǎo)率降低的同時電導(dǎo)率也會減小，所以提高熱電材料的熱電優(yōu)值是比較困難的工作。材料的納米結(jié)構(gòu)能夠一定程度上阻止聲子的熱傳遞熱從而降低熱導(dǎo)率，所以納米結(jié)構(gòu)熱電材料有望進一步提高傳統(tǒng)熱電材料的熱電優(yōu)值。
[0005]目前國內(nèi)外對合成Bi2Te3系熱電材料的報道也有不少，但主要以塊體為主，例如國家專利CN03150425.6號(區(qū)熔法)等等。本發(fā)明方法通過在分散體材料內(nèi)一步直接生長納米Bi2Te3基熱電材料，生成納米材料顆粒小，分布均勻，無任何附加廢棄物產(chǎn)生，環(huán)保無毒，成本低，有較高推廣應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種納米級熱電材料的制備方法，特別是碲化鉍系熱電材料的制備方法。
[0007]為解決上述難題，本發(fā)明一種納米級熱電材料的制備方法為:將原材料粉末與分散體材料混合，所述分散體材料能夠為所述原材料提供反應(yīng)環(huán)境并不參與其反應(yīng)，在高溫爐內(nèi)升溫至所述分散體材料熔點，保溫若干時間，所得產(chǎn)物即為所述納米熱電材料。[0008]對于本發(fā)明一種碲化鉍系納米熱電材料的制備方法，上述技術(shù)問題的具體實現(xiàn)步驟為:稱取適量分散體材料研磨30~60分鐘，按照相應(yīng)化合物摩爾配比稱取原材料粉末與研磨好的分散體材料混合均勻，再研磨10~30分鐘，將該混合物以耐高溫容器載入高溫爐內(nèi)，抽取真空或常壓下通入工作氣體氬氣或氦氣，然后加熱至所述分散體材料的熔點，保溫30~300分鐘，反應(yīng)時間以原材料間的反應(yīng)程度為參考，時間太短原材料反應(yīng)不充分，合成材料不純，時間太長納米材料容易團聚而生成大顆粒。反應(yīng)完成后自然冷卻至室溫，取出生成物以純水洗滌、烘干，所得粉末即為所述納米熱電材料。
[0009]作為本發(fā)明一種碲化鉍系納米熱電材料的制備方法的改進，所述的分散體材料為氯化鈉、氯化鋰、氯化鉀、硝酸鈉和硝酸鉀中的一種。
[0010]作為本發(fā)明一種碲化鉍系納米熱電材料的制備方法的又一改進，所述的熱電材料為 Bi2Te3' Sb2Te3'BixSb2-Je3 和 BixSVx 中的一種。
[0011]作為本發(fā)明一種碲化鉍系納米熱電材料的制備方法的再一改進，所述的納米熱電材料須在無氧環(huán)境中生長，所述無氧環(huán)境為抽真空、氬氣保護和氦氣保護中的一種。若所用高溫爐為真空爐，在氬氣保護或者氦氣保護前最好抽真空再通入保護氣體，爐體內(nèi)的氣壓可通過真空計監(jiān)控，而氣體流量可通過氣體質(zhì)量流量計來控制。若所用高溫爐不能抽真空，則爐體內(nèi)保護氣體氣壓要保持為正壓(略高于大氣壓強)。為防止氣體流速過高將粉末帶走，上述過程中工作氣體流速均不要高于500SCCM。
[0012]在本方法中，分散體材料起到了熔劑和反應(yīng)介質(zhì)的作用。在高于熔點的鍛燒溫度下，分散體材料變成液相，使得體系具有高的反應(yīng)活性和流動性，促進了反應(yīng)物之間的擴散，有利于固相反應(yīng)進行，使得材料合成溫度大大降低，并且制備的顆粒均勻性好，不易團聚。本方法能夠在 較短的反應(yīng)時間內(nèi)制備特定組分晶體，且分散體材料不參與反應(yīng)過程，又均易溶于水，容易清洗，整個過程方法簡單易行、操作成本低，適合于流水作業(yè)，無雜質(zhì)，反應(yīng)廢棄物可以循環(huán)再利用處理且對環(huán)境污染小，適用范圍廣。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明
[0014]附圖1為所制備納米Bi2Te3粉末的X射線衍射(XRD)結(jié)構(gòu)譜圖
[0015]附圖2為所制備納米Bi2Te3粉末的透射電子顯微鏡TEM形貌圖
[0016]附圖3為所制備納米碲化銻(Sb2Te3)粉末的X射線衍射(XRD)結(jié)構(gòu)譜圖
[0017]附圖4為所制備納米Sb2Te3粉末的透射電子顯微鏡TEM形貌圖
【具體實施方式】
[0018]實施例:
[0019]分別以Bi2Te3、Sb2Te3納米粉末制備為例，描述其具體制備過程，分別給出XRD結(jié)構(gòu)圖譜和TEM形貌圖。實驗中所用化學(xué)藥品均為分析純。
[0020]實施例1 =Bi2Te3納米粉末的制備
[0021]用分析天平稱取氯化鉀顆粒3克、Bi粉末0.182克、Te粉末0.167克，先將氯化鉀顆粒在瑪瑙研缽內(nèi)精細研磨50分鐘，再將稱好的Bi粉和Te粉倒入研磨好的氯化鉀粉末內(nèi)充分混合后研磨20分鐘，將上述混合物倒入高純氧化鋁坩堝，將坩堝放入真空管式爐的中部位置。將真空管式爐兩端密封法蘭接好，然后開啟機械泵抽取真空時間為30分鐘，真空度達到5Pa，關(guān)閉機械泵。向真空室內(nèi)通入氬氣，保持管式爐內(nèi)氣壓高于大氣壓。設(shè)定管式爐加熱模式，60分鐘溫度由室溫升高到780V (氯化鉀熔點770V )，再保溫180分鐘，待爐溫自然冷卻至室溫后取出氧化鋁坩堝。將坩堝內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物以去離子水清洗3次，然后在干燥箱內(nèi)50°C烘干20分鐘，取出樣品。所得產(chǎn)物即為Bi2Te3納米粉末。其XRD結(jié)構(gòu)圖譜和TEM形貌圖分別見圖1和圖2。從圖1可以看出Bi2Te3粉末純度很高，沒有發(fā)現(xiàn)其他的雜質(zhì)峰出現(xiàn)，而圖2則反應(yīng)出所制備的納米粉末主要為直徑小于50納米的顆粒。
[0022]實施例2 =Sb2Te3納米粉末的制備[0023]用分析天平稱取氯化鈉顆粒3克、Sb粉末0.102克、Te粉末0.167克，先將氯化鈉顆粒在瑪瑙研缽內(nèi)精細研磨30分鐘，再將稱好的Sb粉和Te粉倒入研磨好的氯化鈉粉末內(nèi)充分混合后研磨20分鐘，將上述混合物倒入高純氧化鋁坩堝，將坩堝放入真空管式爐的中部位置。將真空管式爐兩端密封法蘭接好，然后開啟機械泵抽取真空時間為30分鐘，真空度達到5Pa，關(guān)閉機械泵。向真空室內(nèi)通入氬氣，保持管式爐內(nèi)氣壓高于大氣壓。設(shè)定管式爐加熱模式，60分鐘溫度由室溫升高到810°C (氯化鈉熔點805°C )，再保溫60分鐘，待爐溫自然冷卻至室溫后取出氧化鋁坩堝。將坩堝內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物以去離子水清洗3次，然后在干燥箱內(nèi)50°C烘干20分鐘，取出樣品。所得產(chǎn)物即為Sb2Te3納米粉末。其XRD結(jié)構(gòu)圖譜和TEM形貌圖分別見圖4和圖3。從圖4可以看出Sb2Te3粉末純度很高，沒有發(fā)現(xiàn)其他的雜質(zhì)峰出現(xiàn)，而圖3則反應(yīng)出所制備的納米粉末顆粒均為10~20納米，有的顆粒甚至小于10納米。
[0024]以上實驗和分析結(jié)果表明:本發(fā)明提供的一種碲化鉍系納米熱電材料的制備方法，操作簡便，制備出材料純度高，顆粒小。
【權(quán)利要求】
1.一種碲化鉍系納米熱電材料的制備方法，其特征在于將原材料粉末與分散體材料混合，所述分散體材料能夠為所述原材料提供反應(yīng)環(huán)境并不參與其反應(yīng)，在高溫爐內(nèi)無氧升溫至所述分散體材料熔點，保溫若干時間，所得產(chǎn)物即為所述碲化鉍系納米熱電材料。
2.按照權(quán)利要求1所述的碲化鉍系納米熱電材料的制備方法，其特征在于:所述碲化鉍系納米熱電材料的制備步驟具體為:稱取適量分散體材料研磨30~60分鐘，按照相應(yīng)化合物摩爾配比稱取原材料粉末與研磨好的分散體材料混合均勻，再研磨10~30分鐘，將該混合物以耐高溫容器載入高溫爐內(nèi)，然后無氧升溫至所述分散體材料的熔點，保溫30~300分鐘，反應(yīng)完成后自然冷卻至室溫，取出生成物用水洗滌、烘干，所得粉末即為所述碲化鉍系納米熱電材料。
3.按照權(quán)利要求1和2所述的碲化鉍系納米熱電材料的制備方法，其特征在于:所述分散體材料為氯化鈉、氯化鋰、氯化鉀、硝酸鈉和硝酸鉀中的一種。
4.按照權(quán)利要求1和2所述的碲化鉍系納米熱電材料的制備方法，其特征在于:所述的納米熱電材料為Bi2Te3、Sb2Te3^ BixSb2^xTe3和BixSlvx中的一種。
5.按照權(quán)利要求3和4所述的碲化鉍系納米熱電材料的制備方法，其特征在于:所述無氧升溫為在無氧環(huán)境中生長，所述無氧`環(huán)境為真空保護、氬氣保護和氦氣保護中的一種。
【文檔編號】C01B19/04GK103626138SQ201210301336
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月23日
【發(fā)明者】張谷令, 王文忠 申請人:中央民族大學(xué)