一种铋碲系自然超晶格热电材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种铋碲系自然超晶格热电材料及其制备方法。本发明专利技术提供的铋碲系自然超晶格热电材料，具有式(1)所示结构：Bi

【技术实现步骤摘要】
一种铋碲系自然超晶格热电材料及其制备方法
本专利技术涉及热电材料领域，特别涉及一种铋碲系自然超晶格热电材料及其制备方法。
技术介绍
在全球化石能源的快速消耗以及废弃物增加的大环境下，废热再循环利用为缓解能源危机提供了新的机遇。而热电材料作为一种可以实现热能和电能之间相互转换的特殊功能材料，其在能量循环利用领域的地位日益显著。而决定热电材料能量转换效率的主要参数就是样品的ZT值：ZT＝α2σT/κ。其中α是样品的赛别克系数，定义是单位温度梯度下材料所能产生的电势差；σ是样品的电导率；κ是样品的热导率，由晶格热导和电子热导两部分构成；T是样品测量的开尔文温度。Bi4Te5作为一种新型的中低温区热电材料，属于(Bi2)m(Bi2Te3)n同系物。其自然超晶格结构十分具有特色，以Bi2层和Bi2Te3为基础结构单元，通过在c轴方向上以1:5的比例进行堆叠排列而成。具有非常好的化学结构稳定性，拥有独特的电子和能带结构。并且此类材料普遍具有极低的本征晶格热导，是一种理想的中低温区热电材料。然而，上述材料的能量转换效率欠佳，且目前的合成方法主要为固相烧结法，过于繁琐，耗时达两周以上。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种铋碲系自然超晶格热电材料及其制备方法。本专利技术提供的热电材料能够明显替身热电性能，同时，本专利技术提供的制备方法简单易行，能够大大缩短制备周期，便于规模化生产。本专利技术提供了一种铋碲系自然超晶格热电材料，具有式(1)所示结构：Bi4Te5-xSex式(1)；其中，0＜x＜5。本专利技术还提供了一种上述技术方案中所述的铋碲系自然超晶格热电材料的制备方法，包括以下步骤：a)在保护性气氛下，将Bi粉、Te粉和Se粉研磨混合，得到混合粉末；b)在真空条件下，对所述混合粉末进行热处理，得到熔融体；c)将所述熔融体进行冷却淬火后，进行研磨，得到研磨粉末；d)在真空条件下对所述研磨粉末进行退火处理，之后再进行热压，得到铋碲系自然超晶格热电材料；所述铋碲系自然超晶格热电材料具有式(1)所示结构：Bi4Te5-xSex式(1)；其中，0＜x＜5。优选的，所述步骤b)中，所述热处理的温度为900～1000℃，时间为6～12h。优选的，所述步骤b)中，所述真空条件的真空度为10-5～10-6torr。优选的，所述步骤c)中，利用冷却介质对所述熔融体进行冷却淬火。优选的，所述冷却介质的温度为≤0℃，冷却的时间为1～5min。优选的，所述步骤d)中，所述退火处理的温度为485～500℃，时间为3～7天。优选的，所述步骤d)中，所述真空条件的真空度为10-5～10-6torr。优选的，所述步骤d)中，所述热压的温度为350～500℃，压力为90～100MPa，时间为1～2h。优选的，所述步骤c)中，所述研磨在保护性气氛下进行；所述冷却淬火在真空条件下进行。本专利技术提供了一种铋碲系自然超晶格热电材料，具有式(1)所示结构，以Bi4Te5为基础，掺杂一定量的Se，能够显著提升材料的ZT值。本专利技术提供的制备方法包括单质粉末混合、(真空条件下)高温熔融淬火、研磨、(真空条件下)低温退火和热压处理，具体为在惰性气体状态下将单质粉末混合均匀，并在高真空度下进行高温熔融和淬火来保持高温相，然后经过低温退火来得到材料在低温下的稳定相，最后经过热压处理得到Bi4Te5-xSex自然超晶格块材。本专利技术提供的上述制备方法相比于传统固相烧结法大大缩短了制备周期，提高了效率，而且条件温和易控制，原料及设备成本低，重复利用性强，便于规模化生产；而且上述方法在不破坏晶体结构的情况下，采用Se替位掺杂Te来得到Bi4Te5-xSex样品，明显提升了材料的热电性能，具有很好的工业应用前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为实施例1所得样品的XRD图；图2为实施例1所得样品的SEM图；图3为实施例1所得样品的SEM图；图4为实施例1所得样品的Bi元素分布图；图5为实施例1所得样品的Te元素分布图；图6为实施例1～6所得样品的XRD图；图7为实施例3所得样品的SEM图；图8为实施例3所得样品的元素分布图；图9为实施例1～6所得样品的电导率σ测试效果图；图10为实施例1～6所得样品的塞贝克系数α测试效果图；图11为实施例1～6所得样品的热导率κ测试效果图；图12为实施例1～6所得样品的功率因子效果图；图13为实施例1～6所得样品的热电优值ZT的效果图。具体实施方式本专利技术提供了一种铋碲系自然超晶格热电材料，具有式(1)所示结构：Bi4Te5-xSex式(1)；其中，0＜x＜5；优选的，x为1、2、3或4。本专利技术提供的热电材料以Bi4Te5为基础，掺杂一定量的Se，形成式(1)所示特定材料，能够显著提升材料的ZT值。本专利技术还提供了一种上述技术方案中所述的铋碲系自然超晶格热电材料的制备方法，包括以下步骤：a)在保护性气氛下，将Bi粉、Te粉和Se粉研磨混合，得到混合粉末；b)在真空条件下，对所述混合粉末进行热处理，得到熔融体；c)将所述熔融体进行冷却淬火后，进行研磨，得到研磨粉末；d)在真空条件下对所述研磨粉末进行退火处理，之后再进行热压，得到铋碲系自然超晶格热电材料；所述铋碲系自然超晶格热电材料具有式(1)所示结构：Bi4Te5-xSex式(1)；其中，0＜x＜5。关于步骤a)：在保护性气氛下，将Bi粉、Te粉和Se粉研磨混合，得到混合粉末。本专利技术中，提供所述保护性气氛的保护性气体的种类没有特殊限制，为本领域技术人员熟知的常规惰性气体即可，包括氮气、氩气或氦气等。本专利技术中，提供保护性气氛的方式没有特殊限制，为本领域技术人员熟知的常规操作即可，如可以在充满保护性气体的手套箱中进行原料的研磨。本专利技术中，所述Bi粉、Te粉和Se粉优选为高纯粉体；纯度优选在99.9％以上，在一些实施例中，纯度为99.99％。本专利技术中，所述Bi粉、Te粉和Se粉这三种单质粉体的用量优选为化学计量比，即按照目标产物Bi4Te5-xSex中的化学计量比进行称量。将上述三种粉体研磨混合均匀，得到混合粉末。本专利技术中，所述研磨的方式没有特殊限制，可以将上述三种单质粉末分别研磨，再混合在一起研磨混匀，也可以直接将三种单质粉末放在一起研磨混合，得到混合粉末。关于步骤b)：在真空条件下，对所述混合粉末进行热处理，得到熔融体。本专利技术中，所述真空条件的真空度优选为10-5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铋碲系自然超晶格热电材料，其特征在于，具有式(1)所示结构：/nBi

【技术特征摘要】
1.一种铋碲系自然超晶格热电材料，其特征在于，具有式(1)所示结构：
Bi4Te5-xSex式(1)；
其中，0＜x＜5。


2.一种权利要求1所述的铋碲系自然超晶格热电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在保护性气氛下，将Bi粉、Te粉和Se粉研磨混合，得到混合粉末；
b)在真空条件下，对所述混合粉末进行热处理，得到熔融体；
c)将所述熔融体进行冷却淬火后，进行研磨，得到研磨粉末；
d)在真空条件下对所述研磨粉末进行退火处理，之后再进行热压，得到铋碲系自然超晶格热电材料；
所述铋碲系自然超晶格热电材料具有式(1)所示结构：
Bi4Te5-xSex式(1)；
其中，0＜x＜5。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中，所述热处理的温度为900～1000℃，时间为6～12h。


4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖翀，赵晨晨，谢毅，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34