[发明专利]一步超快速制备SnSe块体热电材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料领域，具体涉及一步超快速制备SnSe块体热电材料的新方法。

背景技术

随着全球工业化的快速发展和人民生活水平的不断提高，全球矿物能源的逐渐减少和环境污染的问题日益严重，对能源需求量的大幅增加使得不可再生的化石燃料资源日益枯竭，不断上涨的燃料价格左右着整个世界的政治和军事走向。随着发展新型的、环境友好的可再生能源及能源转换技术引起了世界发达国家的高度重视，其中将热能直接转换成电能的环境协调型热电转换技术(也称为温差电技术)更受到世界各国的广泛关注。

热电材料的转换效率由无量纲热电优值ZT(ZT＝α²σT/κ其中α为Seebeck系数、σ为电导率、κ为热导率、T为绝对温度)决定，ZT值越大，材料的热电转换效率越高。目前研究较多的高性能热电材料一般是Te基的，如PbTe和Bi₂Te₃。Te元素在地球中的储量稀少、价格昂贵，同时它也是太阳能电池的主要组成元素，这些因素都极大地制约着Te基热电材料的大规模商业化应用和可持续性发展。因此开发储量丰富、价格低廉的高性能热电材料具有重要意义。

SnSe作为一种新型热电材料，具有原材料来源丰富、无毒、价格低廉、性能优异等特点，是一类具有重要应用前景的新型中温热电材料体系。目前单晶SnSe在块体热电材料中所获得的ZT值最高。传统合成方法中单晶SnSe制备多采用布里奇曼法，单晶制备周期长≥3周，对设备要求高，工艺复杂成本高，且机械性能不高；目前多晶SnSe制备采用熔融退火结合放电等离子活化烧结，制备周期≥4天；对于实际应用来说，用单晶材料制备成热电模块具有极大的困难，多晶SnSe制备主要反应所需时间较长，要在4天以上，能耗较高。这些制备方法周期较长，工艺复杂，不利于商业化应用。因此，寻求一种简单快速、能耗少、重复性好且能同时实现SnSe化合物的合成与致密化的技术，显得非常重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种一步超快速制备SnSe块体热电材料的方法，一步实现了SnSe块体化合物的合成与致密化，整个过程在5min内完成，具有反应速度快、设备简单、重复性好、高效节能等优点。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一步超快速制备SnSe块体热电材料的方法，它以Sn和Se为原料，引发其化学反应后原位施加高压，从而制备得到SnSe块体热电材料。

按上述方案，所述Sn和Se的摩尔比为1:(0.9～1.1)。

按上述方案，制备过程中气氛为惰性气体或者真空。

按上述方案，引发化学反应采用钨极氩弧焊。

按上述方案，原位施加高压的时间比引发化学反应的时间延迟0～6s，高压的压力为200MPa～1GPa。

按上述方案，引发其化学反应采用钨极氩弧焊。

进一步优选地，一步超快速制备SnSe块体热电材料方法，主要步骤如下：

1)按化学计量比1:(0.9～1.1)称量Sn粉、Se粉作为原料，然后将原料粉末研磨混合均匀得到反应物，将反应物压制成坯体；

2)将步骤1)所述坯体装入模具，在惰性气氛下引发化学反应，然后再对坯体原位快速施加轴向高压，即可得到致密的SnSe块体热电材料。

按上述方案，步骤1)中Sn粉、Se粉的纯度均≥99.9％。

按上述方案，步骤1)中压制工艺为：压力为4～10MPa，保压时间为2～4min。

按上述方案，步骤2)中，惰性气氛压强在1～100kPa之间，可以通过开启氩弧焊机将钨针放电起弧，从而引发坯体的化学反应。此外，起弧的钨针用陶瓷管套住，坯体与放置的模具间留有1～3mm空隙，目的是保护模具及排放杂质气体等。

按上述方案，步骤2)中，引发化学反应后等待时间为0～6s施加轴向高压，所采用的轴向高压的压力为200MPa～1GPa，保压时间为5～30s。

上述制备方法得到的SnSe致密块体热电材料，致密度高于97％，其热电性能优值ZT在775K达到0.11。

以上述内容为基础，在不脱离本发明基本技术思想的前提下，根据本领域的普通技术知识和手段，对其内容还可以有多种形式的修改、替换或变更。如调节Sn：Se比例可以控制n型、p型SnSe及优化性能，氩气气氛可换为空气或其他气氛，钨针起弧可换为钨丝起弧及钨针放电等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：