[发明专利]一种Sn-S基热电化合物及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新能源材料技术领域，更具体地，本发明涉及一种Sn-S基热电化合物及其制备方法。

背景技术

热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料。热电材料的性能以热电优值ZT表征：ZT=α²σT/κ。其中，α是材料的温差电势系数（即赛贝克系数），σ是电导率，κ是热导率，T是绝度温度。目前，研究较为成熟的传统热电材料包括：应用于低温区的Bi₂Te₃及其固溶体合金；应用于中温区的PbTe及其合金，方钴矿结构；应用于高温区的SiGe合金，螯合物结构；其他的例如half-Heusler体系，氧化物，聚合物热电材料等。

在这些传统的热电材料中，性能较好的合金热电材料中大都含有诸如Se，Te，Pb,Bi等价格昂贵并且有毒的元素。例如，PbTe是一种研究较早的代表性中温热电材料。为了开发价格低廉、无毒、环境友好的高性能中温区热电材料，Sn-S基热电材料成为本发明的研究对象。Sn和Pb同是IV-A族，S和Te同是VI-A族元素，SnS与PbTe具有很强的相似性。SnS的熔点为882℃，与PbTe的熔点（923℃）也比较接近，可用于中温环境。特别值得指出的是，SnS不含Pb、Te、Sb、Bi等热电材料常用的重金属，是一种非常廉价且环境友好的化合物。SnS不仅具有资源和环境两方面的优势，而且我们通过详细的文献调研发现SnS是一个还未被关注到，但很具有研究价值的热电化合物。该化合物的禁带宽度为1.3eV，满足对中温热电半导体的禁带宽范围的要求。到目前为止，对于SnS的研究主要集中在薄膜的制备及其光电性能方面，SnS作为良好的光吸收材料而应用于太阳能电池中。然而，对于SnS块体的热电性能研究很少有系统的报导。综上所述，Sn-S是一种很有潜力的热电材料，但是对于其热电优值，以及采用机械合金化和放电等离子烧结的技术进行制备都尚未有人报道。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。

为此，本发明的一个目的在于提出一种工艺流程短、效率高且对环境友好的Sn-S基热电化合物的制备方法。

根据本发明实施例的Sn-S基热电化合物的制备方法，包括以下步骤：

a）提供初始原料，所述初始原料中含有Sn单质、S单质以及Ag、Cu或In单质，所述Sn单质、S单质以及Ag、Cu或In单质的摩尔比为1：0.8～2：0～1；

b）将所述初始原料在保护气体气氛中进行干磨；

c）将干磨后的物料加入有机液体介质进行湿磨；

d）将湿磨后的粉末取出烘干，得到干燥粉末；

e）将所述干燥粉末压实后进行真空烧结，得到Sn-S基热电化合物。

根据本发明实施例的Sn-S基热电化合物的制备方法，采用的初始原料为无毒无污染原料，价格低廉，该方法工艺流程短，耗时少，效率高，能耗低，获得的产品组织细小均匀，热电性能好，适合于大规模工业生产。

另外，根据本发明上述实施例的Sn-S基热电化合物的制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述步骤b）包括：

b-1）将所述初始原料加入球磨罐，并将球磨罐进行抽真空；

b-2）向经过抽真空的球磨罐内通入保护气体，并将球磨罐安装于球磨机上进行干磨。

根据本发明的一个实施例，所述保护气体为氩气。

根据本发明的一个实施例，所述步骤b）中干磨的转速为200～450转/min，干磨时间为2～20小时。

根据本发明的一个实施例，所述步骤c）中湿磨的转速为50～350转/min，湿磨时间为15～120分钟。

根据本发明的一个实施例，所述有机液体介质为无水乙醇。

根据本发明的一个实施例，所述步骤e）包括：

e-1）将所述干燥粉末加入石墨模具中，用石墨压头压实，得到块体样品；

e-2）将所述块体样品加入放电等离子烧结炉中，在真空条件下烧结，冷却后得到Sn-S基热电化合物块体。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤e-2）中，所述放电等离子烧结炉升温速度为40～180℃/min，烧结温度为550～700℃，压力为20～60Mpa，保温时间为5～10分钟。

根据本发明的一个实施例，所述真空条件为真空度小于20Pa。