[发明专利]一种碲化铋系纳米热电材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米热电材料的制备方法，特别是碲化铋系纳米热电材料的制备方法。

背景技术

许多日常生产生活活动需要耗费能源同时又要释放大量的热能，比如工厂加工、做饭、机械运转等等。如果能够将上述废弃的热能收集转化为可以再次使用的能源，将会为社会节约大量的能源资源。热电材料可以实现这一功能，它是一类能够实现热能和电能之间直接转换的特殊功能材料，它具有Seebeck效应和Peltier效应。当热电材料的两端有一定数值温差时，其两端会产生一定的电压，这就是Seebeck效应，也就是温差电效应。Peltier效应是Seebeck效应的逆效应，当在热电材料中通以一定方向的电流时，在该热电材料的两端将产生吸热和放热现象。

利用上述两个效应，热电材料可用于制冷和热发电，热电材料可用于器件冷却、医疗、野外勘探自助用电及便携式冰箱等。同光电转换材料一样，热电材料的电热转换为物理的量子过程，具有无机械传动、无噪声、无污染、稳定性好、使用寿命长等优异性能。热电材料温差发电不仅是当前深空探测领域的最主要的能源供应，而且还可用于汽车尾气和工业余热的回收利用，由热电材料构建的热电转换装置是理想的电源和制冷器，热电材料在节能和环保领域有广阔的应用前景。

碲化铋(Bi₂Te₃)基合金是目前室温下性能最好的热电材料之一。热电材料的热电转换效率取决于无量纲的热电优值ZT，ZT＝S²σT/K，S为Seebeck系数，T为绝对温度，σ为电导率，K为热导率。理想的热电转换效率来自于具有较大的赛贝克系数、较大的电导率和较低的热导率，但是一般材料在电导率增大的同时热导率也会增加，同样热导率降低的同时电导率也会减小，所以提高热电材料的热电优值是比较困难的工作。材料的纳米结构能够一定程度上阻止声子的热传递热从而降低热导率，所以纳米结构热电材料有望进一步提高传统热电材料的热电优值。

目前国内外对合成Bi₂Te₃系热电材料的报道也有不少，但主要以块体为主，例如国家专利CN03150425.6号(区熔法)等等。本发明方法通过在分散体材料内一步直接生长纳米Bi₂Te₃基热电材料，生成纳米材料颗粒小，分布均匀，无任何附加废弃物产生，环保无毒，成本低，有较高推广应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种纳米级热电材料的制备方法，特别是碲化铋系热电材料的制备方法。

为解决上述难题，本发明一种纳米级热电材料的制备方法为：将原材料粉末与分散体材料混合，所述分散体材料能够为所述原材料提供反应环境并不参与其反应，在高温炉内升温至所述分散体材料熔点，保温若干时间，所得产物即为所述纳米热电材料。

对于本发明一种碲化铋系纳米热电材料的制备方法，上述技术问题的具体实现步骤为：称取适量分散体材料研磨30～60分钟，按照相应化合物摩尔配比称取原材料粉末与研磨好的分散体材料混合均匀，再研磨10～30分钟，将该混合物以耐高温容器载入高温炉内，抽取真空或常压下通入工作气体氩气或氦气，然后加热至所述分散体材料的熔点，保温30～300分钟，反应时间以原材料间的反应程度为参考，时间太短原材料反应不充分，合成材料不纯，时间太长纳米材料容易团聚而生成大颗粒。反应完成后自然冷却至室温，取出生成物以纯水洗涤、烘干，所得粉末即为所述纳米热电材料。

作为本发明一种碲化铋系纳米热电材料的制备方法的改进，所述的分散体材料为氯化钠、氯化锂、氯化钾、硝酸钠和硝酸钾中的一种。

作为本发明一种碲化铋系纳米热电材料的制备方法的又一改进，所述的热电材料为Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、Bi_xSb_2-xTe₃和Bi_xSb_1-x中的一种。

作为本发明一种碲化铋系纳米热电材料的制备方法的再一改进，所述的纳米热电材料须在无氧环境中生长，所述无氧环境为抽真空、氩气保护和氦气保护中的一种。若所用高温炉为真空炉，在氩气保护或者氦气保护前最好抽真空再通入保护气体，炉体内的气压可通过真空计监控，而气体流量可通过气体质量流量计来控制。若所用高温炉不能抽真空，则炉体内保护气体气压要保持为正压(略高于大气压强)。为防止气体流速过高将粉末带走，上述过程中工作气体流速均不要高于500SCCM。