[发明专利]铝掺杂AgBiSe2

说明书

本发明公开了一种铝掺杂AgBiSe₂纳米材料及其制备方法。所述方法在掺杂S的AgBiSe₂的基础上，进一步掺杂Al，采用水热法合成铝掺杂AgBiSe₂纳米材料。本发明的AgBi_1‑yAl_ySe_1.5S_0.5纳米材料中，掺杂S用于调整电子能带结构并同时引入晶格畸变，掺杂Al用于增加AgBiSe₂纳米材料中声子‑声子散射并同时改变其晶相结构，提升其功率因子，降低晶格热导率，从而实现zT的提高，功率因子在773K时达到了0.34mW/m/K²，热电优值zT最高达到了1.02，明显提高了AgBiSe₂纳米材料的热电性能。

技术领域

本发明属于热电材料领域，涉及一种铝(Al)掺杂AgBiSe₂纳米材料及其制备方法。

背景技术

热电转换技术是一种可直接实现电能和热能相互转换的绿色环保技术。热电材料的能量转换效率通过无量纲热电优值zT＝(S²σ/κ)T＝S²σT/(κ_e+κ_l)来衡量，其中σ、S、S²σ、T、κ、κ_e和κ_l分别是电导率、Seebeck系数、功率因数、绝对温度、总热导率以及电子和晶格热导率。由此可见在一定的温度T下，要使材料具有高热电效率，需使其具有高的功率因子S²σ和低的热导率κ。

AgBiSe₂化合物是一种典型的具有多种晶体结构的窄带半导体，通常以三种晶体结构存在：立方相、六方相和菱形相。通过溶液途径合成的AgBiSe₂表现出p型半导体行为，在700K达到zTmax为1.5(10.1021/ja308936b)。作为一种导电性较差的n型半导体，AgBiSe₂的热电特性可以通过在Ag位置或在Se位置掺杂来提高性能。文献1通过在Ag位置掺杂In，将Ag、In、Bi和Se并装入真空熔融石英管中，在以60K/h的速率冷却至室温之前，在可编程炉中对管子进行热处理，在14h内升温至673K，在4h内升温至1123K，并均匀化20h得到粉末，使用火花等离子烧结系统烧结成块状颗粒，其中产品zTmax为0.7(10.1063/1.4963779)。文献2通过在Se位置掺杂Te，将原料混合并压制成颗粒，然后在真空石英管中、500℃下加热15小时，其中产品zTmax为0.6(10.1039/c7dt04821a)。上述方法均采用机械合金法，此方法较为繁琐，成本高。

发明内容

为了获得稳定结构的AgBiSe₂相并提高其热电性能，本发明提供一种铝掺杂AgBiSe₂纳米材料及其制备方法。本发明的铝掺杂AgBiSe₂纳米材料为AgBi_1-yAl_ySe_1.5S_0.5，其中y＝0.01～0.1。

本发明所述的铝掺杂AgBiSe₂纳米材料通过水热法合成，并采用放电等离子体烧结，将粉末样品压制成致密度良好的块体材料，具体步骤如下：

按硝酸银、五水合硝酸铋、硒粉、N,N’-二苯基硫脲和六水合氯化铝的摩尔比为10:8.5:15:10:0.1～1，将六水合氯化铝、硝酸银和五水合硝酸铋混合均匀，加入油胺、油酸和十八烯的混合溶液，抽真空，通入N₂保护，加热至170～180℃，依次加入N,N’-二苯基硫脲的二苯醚溶液和硒粉的十八烯分散液，保温反应，反应结束后，冷却至室温，取出产物离心洗涤除杂，真空干燥，最后进行放电等离子体烧结，得到块体铝掺杂AgBiSe₂纳米材料。

优选地，硝酸银、五水合硝酸铋、硒粉、N,N’-二苯基硫脲和六水合氯化铝的摩尔比为10:8.5:15:10:0.5。