一种SnSe/rGO热电复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种SnSe/rGO热电复合材料及其制备方法，该热电复合材料中rGO的质量分数x＝0.1wt％～3wt％，其制备方法包括S1制备氧化石墨烯分散液备用；S2将SnCl

Snse / RGO thermoelectric composite and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种SnSe/rGO热电复合材料及其制备方法
本专利技术属于热电能源转换材料领域，具体涉及一种高热电性能SnSe/还原氧化石墨烯纳米复合材料及其可控制备方法。
技术介绍
热电材料能实现热能与电能之间的相互转换，在汽车尾气废热、工业余热回收发电等领域具有广阔的应用前景。衡量材料热电能源转化效率的指标为其无量纲热电优值(ZT)，ZT＝S2σT/κ，其中S为Seebeck系数，σ为电导率，S2σ为功率因子，T为绝对温度，κ为热导率。自2014年来，高热电性能、低毒性SnSe基热电材料受到广泛关注。美国西北大学Kanatzidis研究组首次报道了p型SnSe单晶具有极低的热导率和破纪录的ZT值(2.6，测试温度923K)。但是，SnSe单晶样品制备工艺相对复杂，且容易沿其晶体结构bc面解离，对其实际应用有一定影响。相比之下，SnSe多晶制备工艺简单，机械性能较好，更利于机械加工和实际应用。至今，国内外研究者主要通过元素掺杂(例如，Na、K、Ag、Cu)来提升SnSe多晶的热电性能，且该多晶材料的制备往往涉及在较高温度(800-1223K)下的加热、熔融和退火过程，是一个高能耗过程。实现热电材料与低维碳材料的可控复合是实现热电性能提升的有效途径，然而至今还未曾有用低成本工艺实现SnSe与低维碳材料的有效复合从而提升热电性能的有效方法。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术技术方案致力于SnSe/还原氧化石墨烯(SnSe/rGO)纳米复合材料的可控、宏量、低成本溶液法制备及热电性能优化，以解决SnSe多晶制备和性能优化方面存在的问题：(1)SnSe复合材料中的复合相主要是PbSe(Pb毒性大)等金属硫族化合物，还未有与石墨烯基材料进行复合并提升性能的有效策略；(2)先前报道的SnSe/碳纳米管热电复合材料(同石墨烯都属于低维碳材料)制备方法为球磨法，对于纳米尺度形貌与尺寸的调控较为困难；(3)SnSe多晶往往采用耗时、耗能的高温反应制备，降低了其实际应用的经济性。为解决上述的技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种SnSe/rGO热电复合材料，其中rGO的质量分数x＝0.1wt％～3wt％。作为改进，所述rGO的质量分数x＝0.1wt％、0.3wt％、0.5wt％、0.7wt％、1.5wt％或3wt％。一种SnSe/rGO热电复合材料的制备方法，其特征在于：制备上述的SnSe/rGO热电复合材料，包括如下步骤：S1：将一定质量分数氧化石墨烯与一定体积去离子水混合，并在一定功率下超声处理；S2：将SnCl2·2H2O与NaOH按照物质的量比为1:7.5～1:15于去离子水中充分反应，并在氩气环境下搅拌，得到Na2SnO2水溶液；S3：按照NaBH4与氧化石墨烯质量比为5:1～12:1的比例，向S2中的Na2SnO2水溶液中加入NaBH4，并混合均匀；S4：将S1得到的氧化石墨烯分散液加入到S3得到的Na2SnO2水溶液中，在氩气环境下，在一定转速下对混合液搅拌，随后将体系加热至沸腾；S5:按照Se与NaBH4物质的量比为1:2～1:2.2制备与S2中Na2SnO2同物质的量的NaHSe溶液；S6：将S5得到的NaHSe溶液加入到S4得到的Na2SnO2与石墨烯的混合溶液中，保持S4中的搅拌速率并在沸腾温度下反应1～3h，进行SnSe合成及与rGO的原位复合；S7:反应结束冷却后，将反应溶液进行抽滤并对样品进行收集，随后将样品于真空干燥箱内充分干燥，干燥温度可为40～80℃，干燥时间为2～24h；S8:将采用放电等离子烧结，将S7得到的SnSe/rGO复合粉末在一定温度进行放电等离子烧结，烧结温度为500℃～600℃，即得到SnSe/rGO热电复合材料。作为改进，所述S1中将一定质量分数氧化石墨烯与一定体积去离子水混合后，在一定功率下超声处理，该超声功率为80～120W，超声处理时间为1～3h。作为改进，所述S4中搅拌速率为600～1000r/min，搅拌时间为1～3h。作为改进，所述S8中放电等离子烧结的温度为580℃作为改进，所述S1中超声功率为100W，处理时间为2h。作为改进，所述S2中SnCl2·2H2O与NaOH按照物质的量比为1:10。作为改进，所述S3中NaBH4与氧化石墨烯质量比为10:1。作为改进，所述S5中Se与NaBH4物质的量比为1:2，制备与所述S2中Na2SnO2同物质的量的NaHSe溶液。本专利技术方法中采用碱性水溶液为反应溶剂，选用NaBH4为还原剂，采用Na2SnO2为Sn源，选取NaHSe为Se源。SnSe与石墨烯进行原位复合时，首先，利用超声分散将一定比例氧化石墨烯分散于去离子水中，并把该分散液与Na2SnO2溶液充分混合以实现氧化石墨烯在前驱体中均匀分散；在加热过程中，同时施加机械搅拌，实现SnSe纳米材料在合成的同时与石墨烯的原位复合。其次，氧化石墨烯在与SnSe复合过程中还将被NaBH4还原为还原氧化石墨烯(rGO)，这有助于其载流子迁移率的提升，但溶液中的Sn离子极易被NaBH4还原为Sn单质，当控制石墨烯与NaBH4的质量比为1:5～1:12时，可确保所制备样品中不出现其他杂质相。此外，因为还原氧化石墨烯密度极低，采用离心法往往不能收集完全，而采用抽滤法可避免这一问题。最后，对经过清洗后的样品进行真空干燥，以防止氧化。相对于现有技术，本专利技术至少具有如下优点：1.本专利技术创造采用溶液法实现SnSe合成及与还原氧化石墨烯(rGO)原位复合，合成温度低、操作简便、制备快捷、所需制备装置简单、可宏量制备，采用水作为溶剂，不需要昂贵的有机溶剂，比通常采用的高温熔融法所需温度低500度以上，也不需要特殊的高能球磨机即能实现rGO的均匀复合。2.本专利技术创造实施的还原氧化石墨烯(rGO)复合可提升SnSe材料在低中温区的电导率，优化热电功率因子，同时还可以大幅降低晶格热导率，最终提升了SnSe全温区的热电优值(ZT)，并且ZT峰值(823K)为0.91左右，比SnSe提升约47％。是一种大幅提升SnSe多晶材料热电性能的有效策略。附图说明图1为SnSe/rGO(rGO的质量分数x＝3wt％)纳米复合材料的表征：图1(a)为XRD图谱，图1(b)为(b)SEM图。图2为SnSe/rGO(rGO的质量分数x＝0.1,0.3,0.5,0.7wt％)纳米复合材料的XRD图。图3为SnSe、GO及SnSe/rGO(rGO的质量分数x＝0.3wt％)纳米复合材料的拉曼光谱。图4为SnSe/rGO(rGO的质量分数x＝0.3wt％)纳米复合材料的电镜表征:图4(a)为SEM照片，图4(b)为TEM照片,图4(c)为HRTEM照片，图4(d)为EDS元素面分布。图5为SnSe/rGO(rGO的质量分数x＝0,0.1,0.3,0.5,0.7wt％)烧结快的热电性能:图5(a)为电导率，图5(b)为Se本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种SnSe/rGO热电复合材料，其特征在于：其中rGO的质量分数x＝0.1wt％～3wt％。/n

【技术特征摘要】
1.一种SnSe/rGO热电复合材料，其特征在于：其中rGO的质量分数x＝0.1wt％～3wt％。


2.如权利要求1所述的SnSe/rGO热电复合材料，其特征在于：所述rGO的质量分数x＝0.1wt％、0.3wt％、0.5wt％、0.7wt％、1.5wt％或3wt％。


3.一种SnSe/rGO热电复合材料的制备方法，其特征在于：制备权利要求1所述的SnSe/rGO热电复合材料，包括如下步骤：
S1：将一定质量分数氧化石墨烯与一定体积去离子水混合，并在一定功率下超声处理；
S2：将SnCl2·2H2O与NaOH按照物质的量比为1:7.5～1:15于去离子水中充分反应，并在氩气环境下搅拌，得到Na2SnO2水溶液；
S3：按照NaBH4与氧化石墨烯质量比为5:1～12:1的比例，向S2中的Na2SnO2水溶液中加入NaBH4，并混合均匀；
S4：将S1得到的氧化石墨烯分散液加入到S3得到的Na2SnO2水溶液中，在氩气环境下，在一定转速下对混合液搅拌，随后将体系加热至沸腾；
S5：按照Se与NaBH4物质的量比为1:2～1:2.2制备与S2中Na2SnO2同物质的量的NaHSe溶液；
S6：将S5得到的NaHSe溶液加入到S4得到的Na2SnO2与石墨烯的混合溶液中，保持S4中的搅拌速率并在沸腾温度下反应1～3h，进行SnSe合成及与rGO的原位复合；
S7：反应结束冷却后，将反应溶液进行抽滤并对样品进行收集，随后将样品于真空干燥箱内充分干燥，干燥温度可为40～80℃，干燥时间为2...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩广，马铎文，黄丽斯，马春苗，卢建章，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50