一种组分可控的Bi-Te-Se三元纳米线及其制备方法技术

本发明专利技术提出一种组分可控的Bi

【技术实现步骤摘要】
一种组分可控的Bi
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Te
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Se三元纳米线及其制备方法


[0001]本专利技术属于纳米材料制备领域，具体涉及一种组分可控的Bi
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Te
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Se三元纳米线及其制备方法。

技术介绍

[0002]热电转换技术能够利用材料本征的电/热传输特性，实现热能和电能间的相互转换。该技术具有无污染、无噪音、寿命长和可靠性高等优势，是理想的绿色环保型全固态能源利用方式，但目前热电技术仍存在转化效率偏低的问题。
[0003]热电材料的能量转换率主要由材料的无量纲热电优值ZT所决定，其表达式为：ZT＝(α2σ/κ)
·
T，其中T为温度，σ、α、κ分别代表材料的电导率、Seebeck系数以及热导率。若要提高ZT值，热电材料必须同时具有较高的的电导率和较低的热导率。但通常情况下，材料的电导率和热导率具有较强的正向关联性，即同增同减，这对于提高材料的热电优值来说是一个巨大的挑战。碲化铋是当前中低温区性能表现最佳的传统热电材料，但其能量转换效率仍不能满足商业化应用的需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种组分可控的Bi
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Te
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Se三元纳米线及其制备方法，以解决现有技术中碲化铋难以满足现有的商业化应用需求的技术问题。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]一种组分可控的Bi
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Te
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Se三元纳米线的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，将氧化碲、聚乙烯吡咯烷酮和氢氧化钾溶于乙二醇中，加热后加入水合肼，反应后获得含有Te单质纳米线的溶液A，将所述Te单质纳米线的溶液A降温至90℃备用；
[0008]步骤2，将亚硒酸、浓盐酸和聚乙烯吡咯烷酮溶解在乙二醇中，混匀后加入90℃的Te单质纳米线的溶液，加热后反应，生成含有Te
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Se纳米线的溶液B，将含有Te
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Se纳米线的溶液B加热至120℃备用；
[0009]步骤3，将五水硝酸铋颗粒与氢氧化钾溶液溶于乙二醇中，搅拌加热至80℃，溶液成为无色透明后自然冷却后，获得溶液C，将120℃的溶液B和溶液C混合后反应，自然冷却后获得溶液D，将溶液D离心洗涤后烘干，获得黑色的粉末，获得Bi
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Te
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Se三元纳米线。
[0010]本专利技术的进一步改进在于：
[0011]优选的，步骤1中，所述氧化碲、聚乙烯吡咯烷酮和氢氧化钾的混合比例为1.5mmol：0.75g：10mmol。
[0012]优选的，步骤1中，所述水合肼的加入量和氧化碲的比例为2mL：1.5mmol。
[0013]优选的，步骤1中，加入水合肼时，氧化碲、聚乙烯吡咯烷酮、氢氧化钾和乙醇混合溶液的温度为140℃。
[0014]优选的，步骤2中，所述亚硒酸、浓盐酸和聚乙烯吡咯烷酮的混合比例为(0.17
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1.5)mmol：(2.5
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5)mL：(0.5
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1)g。
[0015]优选的，步骤2中，加热温度为110℃，反应时间为1h。
[0016]优选的，步骤3中，五水硝酸铋颗粒、氢氧化钾和乙二醇的混合比例为2mmol：30mmol：10mL。
[0017]优选的，步骤3中，溶液B和溶液C的反应温度为120℃，反应时间为1h。
[0018]优选的，步骤3中，烘干温度为50℃。
[0019]一种通过上述任意一项制备方法制得的组分可控的Bi
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Te
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Se三元纳米线。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0021]本专利技术提出一种组分可调控的Bi
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Te
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Se三元纳米线的制备方法。该方法首先制备出含有Te单质纳米线的溶液，然后在此基础上制备出Te
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Se纳米线的溶液，最后再Te
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Se纳米线上掺杂Bi元素，该方法通过低维化和多组元化增强缺陷对声子的散射作用，降低材料的晶格热导率，提高材料的热电性能。本专利技术制备过程简单，操作过程安全无污染，所得纳米线的元素分布均匀，结构稳定，在热电材料领域具有潜在的应用价值。
[0022]低维化和多元化是提高材料热电优值的两种重要方式。随着材料维度的降低，载流子的能量分布由连续态转变为分立态，费米面附近的态密度大幅度增加，可提高材料的电输运性能，且材料的低维结构特征导致其晶格热导率远低于块体材料。但任何材料的热导率都存在物理极限，仅通过低维化无法实现热导率的进一步降低。由于Bi2Te3特殊的层状结构和较弱的层间相互作用，相应的合金化或掺杂过程较容易。掺杂元素的引入可以有效调控能带结构，优化体系载流子浓度，进而优化材料功率因子，且掺杂元素的引入能够提高点缺陷密度，引起晶格应变，导致晶格导热率大幅降低。对于Bi2Te3体系，经常采用Se元素掺杂来调控能带结构，Se替代Te表现为n型半导体。尽管Se和Te两种元素处于同一主族，但其核外电子排布规律有一定区别，Se元素的掺入能够优化Bi2Te3体系中的载流子浓度，并提高点缺陷密度，因此能够提高Bi2Te3的热电性能。
附图说明
[0023]图1为实施例1，2，3，4的步骤1所得Te纳米线的TEM及XRD表征示意图；(四个实施例共用做出来的Te纳米线)
[0024]其中(a)图为TEM图，(b)图为XRD表征示意图；
[0025]图2为实施例1的步骤2所得Te
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Se纳米线的SEM、EDS、TEM及XRD表征示意图；
[0026]其中，(a)图为SEM图；(b)图为TEM图；(c)图为XRD图；
[0027]图3为实施例1，2，3所得Bi
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Te
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Se三元纳米线SEM形貌、EDS及三种元素比例表征示意图；
[0028]其中，(a)和(b)为实施例1的表征图；(c)和(d)为实施例2的表征图；
[0029](e)和(f)为实施例3的表征图。
[0030]图4为实施例4所得Bi
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Te
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Se三元纳米线SEM形貌、EDS mapping及三种元素比例表征示意图；
[0031]其中，(a)图为SEM形貌图；(b)图为EDS图；(c)图为元素比例图；
[0032]图5为实施例1，2，3，4所得Bi
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Te
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Se三元纳米线的XRD表征示意图；
[0033]图6为实施例1，2，3，4所得Bi
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Te
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Se三元纳米线热压烧结为块体后，在300K下的热
导率测试示意图；
[0034]图7为本专利技术的制备流程图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种组分可控的Bi
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Te
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Se三元纳米线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将氧化碲、聚乙烯吡咯烷酮和氢氧化钾溶于乙二醇中，加热后加入水合肼，反应后获得含有Te单质纳米线的溶液A，将所述Te单质纳米线的溶液A降温至90℃备用；步骤2，将亚硒酸、浓盐酸和聚乙烯吡咯烷酮溶解在乙二醇中，混匀后加入90℃的Te单质纳米线的溶液，加热后反应，生成含有Te
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Se纳米线的溶液B，将含有Te
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Se纳米线的溶液B加热至120℃备用；步骤3，将五水硝酸铋颗粒与氢氧化钾溶液溶于乙二醇中，搅拌加热至80℃，溶液成为无色透明后自然冷却后，获得溶液C，将120℃的溶液B和溶液C混合后反应，自然冷却后获得溶液D，将溶液D离心洗涤后烘干，获得黑色的粉末，获得Bi
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Te
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Se三元纳米线。2.根据权利要求1所述的一种组分可控的Bi
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Te
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Se三元纳米线的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述氧化碲、聚乙烯吡咯烷酮和氢氧化钾的混合比例为1.5mmol：0.75g：10mmol。3.根据权利要求1所述的一种组分可控的Bi
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Te
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Se三元纳米线的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述水合肼的加入量和氧化碲的比例为2mL：1.5mmol。4.根据权利要求1所述的一种组分可控的Bi
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Te
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Se三元纳米线的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘帅，刘迎港，陈国祥，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：