[发明专利]一种PbTe/石墨烯纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及一种PbTe/石墨烯纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的基础。但是随着化石能源等不可再生能源的减少以及全球对能源需求的增加，能源危机有可能成为21世纪的主要危机。寻找和开发新能源材料成为全球科学工作者研究的热点。在现实生活中，有许多被废弃的热能，如汽车尾气排热、工厂废水废气排热等。利用热电材料，我们可以将这些热能利用起来，使其成为可以再次使用的能源。因此，热电材料作为一种利用材料内部载流子的运动来实现热能和电能直接转换的新能源材料，引起了人们广泛的关注。

热电材料的转换效率由材料的热电优值ZT值决定，ZT＝α²σT/κ，其中α是材料的塞贝克系数，σ是材料的电导率，κ是材料的热导率，T为绝对温度。PbTe是IV-VI主族化合物半导体材料，具有较高的熔点(1095K)。其化学键属于金属键类型，具有氯化钠型晶体结构，禁带宽度约为0.3eV。具有各向同性的结构、高的晶体对称性、低的晶格热导率等优点，是一种优良的中温区热电材料。目前商业化应用的PbTe基热电材料ZT值在1左右，离实际应用所需的ZT值还有差距。而提高材料热电优值的途径主要有：(1)掺杂或者固溶，在保证迁移率的同时提高载流子浓度，优化电导率；(2)微米、纳米复合，形成界面，散射声子的同时，保证电子能顺利通过，优化α；(3)引入纳米第二相，降低晶格热导率。至去年以来，复合化成为了热电材料发展的新方向。

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。由于其独特的物理性能(室温下即表现出半整数霍尔效应)、高的机械强度(杨氏模量：约1100GPa，断裂强度：约125GPa)、大的比表面积(计算值为2630m²g^-1)，高的载流子迁移率(2×10⁵m²V^-1s^-1)，自2004年被报道以来，已成为国内外研究的热点。以石墨烯为载体的功能材料在光催化、生物传感、电化学储锂、燃料电池、超级电容器等领域具有广泛的应用前景。理论预测，石墨烯本身显示热电效应，如扶手椅式石墨烯的理论热电优值高达5.8。因而若能利用石墨烯的负载特性和高电导率制备出石墨烯-热电复合纳米材料，有望在保持高的电导率的同时，通过引入界面来增加对声子的散射，降低材料的热导率，从而得到高性能的热电材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种PbTe/石墨烯纳米复合材料及其制备方法，该方法工艺简单、成本低，适合工业化生产，该方法制备的纳米复合材料的PbTe颗粒小。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种PbTe/石墨烯纳米复合材料，其特征在于：它由含铅溶液与氧化石墨溶液混合后再与含碲溶液混合，加入强碱和还原剂后经去离子水洗涤、干燥而成；含铅溶液和含碲溶液的浓度均为0.01～0.1mol/L，由Pb的化合物和Te的化合物为原料，按照PbTe的化学计量比分别溶于去离子水配制而成；氧化石墨溶液的浓度为0.5～2mg/ml，所述的氧化石墨(GO)加入量为PbTe理论质量的1％～30％；所述的还原剂加入量为下述两部分之和：每摩尔PbTe加入0.8～1.2摩尔还原剂，每克氧化石墨(GO)加入0.2～1摩尔还原剂。强碱的加入量为调节体系pH为9～12。

上述PbTe/石墨烯(rGO)纳米复合材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1.氧化石墨(GO)的制备：

氧化石墨(GO)的原料配备如下：NaNO₃、高锰酸钾、石墨粉按照质量比0.3～0.7∶3～4∶1选取，98wt％的浓硫酸与石墨粉按照22～24∶1(ml/g)选取，50～60℃温水与石墨粉按照40～50∶1(ml/g)选取，质量浓度30wt％的双氧水与石墨粉按照4～6∶1(ml/g)选取；

氧化石墨(GO)的制备方法，它包括如下步骤：

1)低温反应阶段，在干燥的反应容器中加入98wt％的浓硫酸，冷却到0～4℃，搅拌中加入石墨粉和NaNO₃，搅拌均匀后，缓慢加入高锰酸钾，控制反应温度为0～10℃，搅拌1.5～2h；

2)中温反应阶段，将步骤1)所得溶液置于32～40℃的恒温水浴中，均匀搅拌30～40min；