一种氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法技术

技术编号:15726142 阅读:132 留言:0更新日期:2017-06-29 18:18
本发明专利技术公开了一种氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法。氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法包括以下步骤:首先称取一定质量的MoS

【技术实现步骤摘要】
一种氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法
本专利技术涉及热电材料领域,特别是涉及一种氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法。
技术介绍
当今社会能源的50%以上都以废热的形式损失掉,而热电材料能实现热能和电能之间的相互转换,因此热电材料的发展将会有助于解决能源危机。评价热电材料性能好坏的参数是热电优值ZT,ZT=S2σT/κ,其中S表示Seebeck系数,σ表示电导率,T表示绝对温度,κ表示热导,S2σ称为功率因子(PowerFactor)。ZT值越高,热电能量转化效率越高。提高ZT值,需要提高Seebeck系数和电导,同时降低热导。目前,性能高的热电材料普遍含有有毒并且价格昂贵的金属,如Te、Pb等,阻碍了它们的大规模实际应用。因此,开发新型的无毒便宜的热电材料成为热电领域的研究热点。二硫化钼是一种层状的二维半导体材料。目前二硫化钼作为热电材料的研究不是很多,而且主要集中在薄膜的研究,如2013年MicheleBuscema等人通过外加电场可以将单层二硫化钼的Seebeck系数调节到-4×102到-1×105μVK-1之间;2014年WuJing等人通过外加栅极电压调节CVD生长的单层二硫化钼的载流子浓度,使其Seebeck值可达到~30mVK-1。尽管如此,他们在文章中也都指出了虽然单层二硫化钼的Seebeck系数很大,但是作为热电材料仍存在一个很大的挑战就是电阻太大。2015年ShiLi和ZhangXiang两个组分别研究了少层二硫化钼的热电性能,在面内方向上都得到了很高的功率因子(>5mWm-1K-2),但是因为此方向的热导比较高(30-50Wm-1K-1),ZT值也仅仅只有0.05。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是:克服现有技术的不足,提供一种氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法,在不降低二硫化钼Seebeck系数的情况下,提高二硫化钼的电导,同时能够有效降低热导,最终使得材料的热电性能得到大幅度的提高。本专利技术提供了一种氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法,其特征在于所述制备方法包括以下步骤:(1)称取一定质量的二硫化钼粉末,放到容器中;(2)将步骤(1)中的容器放到石英管中;(3)步骤(2)中的石英管放到水平管式炉中,氩气气氛下升温至合适的温度,再更换为空气,恒温一定的时间,然后更换为氩气自然降温,得到氧掺杂的二硫化钼粉末样品;(4)将步骤(3)得到的氧掺杂二硫化钼粉末样品进行放电等离子体烧结,首先将氧掺杂的二硫化钼粉末装入石墨模具中,放入放电等离子体烧结炉中,加压,抽真空,当真空度小于5Pa时,开始升温烧结,升到最高温度时保温一段时间,然后直接卸压,自然降温,得到致密的氧掺杂二硫化钼热电材料。所述步骤(1)中的一定质量的二硫化钼粉末为2-6g;二硫化钼粉末的粒径小于6um。此粒径的MoS2在本专利技术所述的氧掺杂方法中氧掺杂效果比较好,而且SPS烧结后择优取向也比较明显。容器选用的是刚玉舟,因刚玉舟在本专利技术所述的实验温度(200-500℃)下与MoS2不发生反应。所述步骤(2)中的石英管直径为40-60mm,长为0.8-1.5m,最优直径为50mm,长为1m。所述步骤(3)中的温度为200-500℃;恒温时间为4min-10h;升温和降温过程中通的都是氩气,氩气流速为70-80sccm(最优为76sccm);恒温过程中通的是空气,空气流速为100sccm。空气流速的大小决定了氧化反应时氧气的含量,是决定MoS2氧化程度即氧掺杂程度的重要条件之一,本专利技术中空气流速为100sccm时,氧含量最合适,在此流速条件下再去调节氧化的温度和时间,得到的热电性能的数据能很好地说明热电性能随氧掺杂程度的变化趋势。所述步骤(4)中烧结过程所用石墨模具直径为12.7-20mm,高度为30-35mm。所加的压力为40-60MPa,烧结温度为1100-1400℃,升温速率为50-100℃/min,保温时间为10-180min。在这一烧结条件下,材料的密度能达到体相材料密度的95%以上,并且当需要烧结得到一个比较高(12mm左右)的材料时,用此烧结条件材料不会断裂。所述氧掺杂二硫化钼热电材料的晶粒取向度大于等于0.9。在一个具体实例中,升温和降温时氩气流速为76sccm,恒温时间为5h,空气流速为100sccm。此条件下得到的氧掺杂MoS2的热电性能是最好的。在一个具体实例中,包括以下步骤:a.将得到的氧掺杂的二硫化钼粉末装入直径12.7mm的石墨模具中。b.将模具放入SPS烧结炉中,加压50MPa,抽真空。c.当真空度小于5Pa时,开始加电流升温烧结,升温速率50-100℃/min,烧结温度1300℃,在1300℃保温2h,然后直接卸压,自然降温。本专利技术的优点在于:(1)本专利技术通过在空气中氧化的方法,在二硫化钼中引入了氧,大幅度提高了二硫化钼的电导,至少可以提高1000多倍,并且氧掺杂后的二硫化钼的Seebeck系数绝对值没有降低,掺杂前Seebeck系数的绝对值范围为50-586μVK-1,掺杂后范围为300-500μVK-1,甚至有些温度点比原来还高,所以得到了较高的功率因子。掺杂前功率因子量级在10-10-10-5Wm-1K-2之间,掺杂后范围为250-500Wm-1K-2。(2)本专利技术中氧掺杂使二硫化钼的热导降低。在MoS2晶体层内方向上,热导最小值由原来的19Wm-1K-1降低到12Wm-1K-1,层间方向上最小值由原来的2.8Wm-1K-1降到1.9Wm-1K-1。由此可以看出本专利技术通过SPS烧结的方法得到具有明显取向的热电材料,取向因子大于0.9,所以在层间方向上的热导更低一些,从而使ZT值在此方向上得到很大的提高。掺杂前ZT最大为0.003,掺杂后提高到了0.14。(3)本专利技术的制备方法简单,容易大量制备。(4)本专利技术的氧掺杂二硫化钼热电材料还可应用于电化学、光电催化、电子器件等领域。附图说明图1为本专利技术制备方法的流程图;图2为实施例1、实施例2和实施例3的电导数据图;图3为实施例1、实施例2和实施例3的Seebeck系数数据图;图4为实施例1、实施例2和实施例3的功率因子(PowerFactor)数据图;图5为实施例1、实施例2和实施例3的热导数据图;图6为实施例1、实施例2和实施例3的热电优值(ZT)图;图7为实施例1、实施例2和实施例3的X射线衍射(XRD)图。具体实施方法下面结合附图及具体实施例详细介绍本专利技术。但以下的实施例仅限于解释本专利技术,本专利技术的保护范围应包括权利要求的全部内容,不仅仅限于本实施例。本专利技术的氧掺杂二硫化钼热电材料的具体制备方法包括以下步骤:(1)称取5g二硫化钼粉末置于刚玉舟中。二硫化钼粉末粒径小于6um,刚玉舟的尺寸是3mm*6mm。在这里,二硫化钼粉末尽量分散平铺在刚玉舟中,而且不要压实,保持松散,这样是为了能够与气氛有效接触,并且反应均匀。(2)将上述刚玉舟放入水平管式炉的石英管中。比较合适的石英管尺寸为直径50mm,长度为1m。(3)往石英管中通入气氛,升温至300℃,并恒温一段时间,然后降温。在升温前,要先通氩气1-2h吹扫管路,保持管路中气氛纯净。升温过程中通氩气,流速为76sccm,升温速率为5℃/min,当温度升到300℃时,立刻切换为空气,流速调为本文档来自技高网
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一种氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法

【技术保护点】
一种氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:(1)称取一定质量的二硫化钼粉末,放到容器中;(2)将步骤(1)中的容器放到石英管中;(3)步骤(2)中的石英管放到水平管式炉中,氩气气氛下升温至一定温度,再更换为空气,恒温一定的时间,然后更换为氩气自然降温,得到氧掺杂的二硫化钼粉末样品;(4)将步骤(3)得到的氧掺杂二硫化钼粉末样品进行放电等离子体烧结(SPS),首先将氧掺杂的二硫化钼粉末装入石墨模具中,放入放电等离子体烧结炉中加压,抽真空,当真空度小于5Pa时,开始升温烧结,升到最高温度时保温一段时间,然后直接卸压,自然降温,得到致密的块状氧掺杂二硫化钼热电材料。

【技术特征摘要】
1.一种氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:(1)称取一定质量的二硫化钼粉末,放到容器中;(2)将步骤(1)中的容器放到石英管中;(3)步骤(2)中的石英管放到水平管式炉中,氩气气氛下升温至一定温度,再更换为空气,恒温一定的时间,然后更换为氩气自然降温,得到氧掺杂的二硫化钼粉末样品;(4)将步骤(3)得到的氧掺杂二硫化钼粉末样品进行放电等离子体烧结(SPS),首先将氧掺杂的二硫化钼粉末装入石墨模具中,放入放电等离子体烧结炉中加压,抽真空,当真空度小于5Pa时,开始升温烧结,升到最高温度时保温一段时间,然后直接卸压,自然降温,得到致密的块状氧掺杂二硫化钼热电材料。2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的二硫化钼粉末的质量为2-6g;二硫化钼粉末的粒径小于6um。3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的容器是刚玉舟。4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中的石英管直径为40-...

【专利技术属性】
技术研发人员:包信和姜鹏孔爽
申请(专利权)人:中国科学院大连化学物理研究所
类型:发明
国别省市:辽宁,21

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