一种Bi2O3复合SnTe热电材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Bi2O3复合SnTe热电材料的制备方法，属于能源转换领域。利用高温固相法、高温退火处理和快速热压工艺制备得到复合一定量Bi2O3‑

A preparation method of Bi2O3 composite SNTE thermoelectric material

【技术实现步骤摘要】
一种Bi2O3复合SnTe热电材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种热电材料的制备方法，即一种Bi2O3复合SnTe热电材料的制备方法，属于能源转换领域。

技术介绍

[0002]随着科学技术不断发展，全球气候变暖、化石能源材料短缺等问题接踵而来，开发新能源是实现全球可持续发展的重要保障。热电材料作为一种新型能源材料，能够直接实现热能和电能的直接转化，在废热回收和温差制冷等方面的应用具有一定优势。热电材料通常通过热电优值（ZT = S
2 d T/k，其中S为塞贝克系数，d为电导率，T为绝对温度，k为热导率）来评价其热电性能优劣，且热电优值越大，材料的热电性能越好。
[0003]SnTe是一种典型的中温热电材料，在废热回收方面具有应用价值。相较于PbTe热电材料来说，它具有和PbTe相近的晶体结构和能带结构，是一种不含Pb元素的环境友好型热电材料，且被认为是取代PbTe热电材料的有力候选者。但由于SnTe具有本征Sn空位，导致其具有过高的载流子浓度，造成SnTe的塞贝克系数较低、热导率过高和ZT值较低，故很难被实际应用。因此，本申请采用高温固相法、高温退火和快速热压工艺在SnTe基质中复合一定量的Bi2O3，在退火过程中实现Bi在Sn位点的取代，一方面Bi取代Sn位点能有效调节SnTe的载流子浓度，实现对SnTe的电输运性能的优化调控；另一方面复合引入的第二相能有效增强对其载热声子的散射，降低SnTe的热导率，最后协同优化了SnTe的电学和热学性质，获得了高性能SnTe基热电材料。本专利技术获得的复合1.5% mol Bi2O3‑
SnTe热电材料在823 K时热电优值为0.83，与未复合样品相比，热电性能提高了36.1%。
[0004]到目前为止，首先利用高温固相法制备SnTe材料，然后进行高温退火处理，最后再通过快速热压工艺获得复合0 ~ 2.5% mol Bi2O3‑
SnTe块体热电材料未见报道。

技术实现思路

[0005]本专利技术为一种Bi2O3复合SnTe热电材料的制备方法，以Sn粉、Te粉、Bi2O3粉为原料，先通过高温固相法制备SnTe材料，然后进行高温退火处理进行复合，最后利用快速热压工艺在450 ~ 550 ℃获得高致密度的复合0 ~ 2.5% mol Bi2O3‑
SnTe块体热电材料，成功改善了单一SnTe的热电性能，整个测温区间（323 K ~ 823 K）的样品的热电优值都有较大提升。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种Bi2O3复合SnTe热电材料的制备方法，其特征在于以Sn粉、Te粉、Bi2O3粉为原料，先根据SnTe的化学计量比，称取Sn粉、Te粉，将粉末放置于研钵中研磨至均匀分散，将研磨后的混合粉末装入石英管中，对其进行抽真空并高温封管，封管结束后将装有样品的石英管放入井式炉中进行高温固相反应以制备SnTe样品；然后将所制得的SnTe样品放入研钵中研磨至粉末状，按0 ~ 2.5% mol Bi2O3‑
SnTe的计量比准确称取所需Bi2O3粉末质量，与上述制备的SnTe粉末混合，再次研磨至完全混匀，对其进行抽真空并高温封管，封管结束后将装有样品的石英管放入井式炉中进行高温退火处理以制备复合0 ~ 2.5% mol Bi2O3‑
SnTe
样品；最后，将获得的样品研磨均匀后装入石墨模具中，利用快速热压工艺制备致密度高的复合0 ~ 2.5% mol Bi2O3‑
SnTe热电材料。
[0007]进一步地，所述合成方法具体步骤如下：（1）高温固相反应：根据SnTe中Sn和Te的化学计量比，称取所需2.374 g Sn粉和2.552 g Te粉，放入洁净的研钵中混合均匀，将混合粉末装入洁净干燥的石英管中，抽真空并进行高温封管，将装有样品的石英管放入井式炉中进行高温固相反应制得4.926 g SnTe样品。所述高温固相反应的条件为：以0.5 ~ 1.5 o
C/min的速率升温到450 o
C，再以1 ~ 2 o
C/min的速率持续升温到950 ~ 1050 o
C，保温8 ~ 12 h，然后以1 ~ 2 o
C/min的速率降温至650 o
C，保温20 ~ 26 h，最后以1 ~ 2 o
C/min的速率持续降至室温。所用石英管内径为12.5 mm，壁厚1.2 mm，真空封管过程中真空度维持在1*10
‑
1 ~ 5*10
‑
1 MPa。
[0008]（2）高温退火处理：称取步骤（1）所制得的SnTe样品研磨至均匀粉末状，称取制得的4.500 g SnTe粉末，按照0 ~ 2.5% mol Bi2O3‑
SnTe比例，称取Bi2O3粉，放入研钵中混合均匀，将混合粉末装入洁净干燥的石英管中，抽真空并进行高温封管，将装有样品的石英管放入井式炉中进行高温退火处理，制得所需复合0 ~ 2.5% mol Bi2O3的SnTe样品。所述高温退火处理的条件为：以1 ~ 2 o
C/min的速率持续升温到750 o
C，保温5 ~ 9 h，然后以1 ~ 2 o
C/min的速率降温至室温。所用石英管信息及真空封管要求详见步骤（1）。
[0009]（3）快速热压烧结工艺：将步骤（2）所获得复合0 ~ 2.5% mol Bi2O3‑
SnTe样品放入研钵中研磨至完全混匀，然后将获得的样品粉末装入石墨模具中快速热压烧结，在40 ~60 MPa的轴向压力、500 ~ 600 o
C的环境下热压20 ~ 40 min制得高致密度的0 ~ 2.5% mol Bi2O3‑
SnTe热电材料。
[0010]（4）通过德国耐驰LFA467导热仪测得步骤（3）中所获得样品的热扩散系数，再结合热导率公式计算获得其热导率；其电导率和塞贝克系数通过德国LSR
‑
3测得相关参数，计算获得。根据上述制备方法所获得的0 ~ 2.5% mol Bi2O3‑
SnTe热电材料，结晶性好且致密度高，电导率为66400 ~ 110000 S/m，塞贝克系数为130 ~ 166 μV/K，热导率为1.891 ~ 2.266 W/mK，ZT值为0.61 ~ 0.83。
[0011]（5）本专利技术通过高温固相反应法、高温退火处理，再结合快速热压烧结工艺制得0 ~ 2.5% mol Bi2O3‑
SnTe热电材料，具有以下优点：一是与传统化学法相比，此工艺制样过程简单快捷，能够一次获得大量样品，且样品性质稳定，可按比例放大制备。二是在SnTe中复合0 ~ 2.5% mol Bi2O3能够同时对材料电输运和热输运过程产生有益影响，通过对载流子浓度调节实现塞贝克系数的增大，再利用复合引入的第二相增强对声子的散射过程来降低材料的热导率，协同优化材料的热电性能。三是采用此工艺所获得的样品致密度高，可重复性好。
[0012]附图说明：图1为样品0、1、1.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Bi2O3复合SnTe热电材料的制备方法，其特征在于以Sn粉、Te粉、Bi2O3粉为原料，经高温固相反应、高温退火处理和快速热压烧结工艺，制得0 ~ 2.5% mol Bi2O3‑
SnTe热电材料，具体步骤如下：a高温固相反应：根据SnTe中Sn和Te的化学计量比，称取所需2.374 g Sn粉和2.552 g Te粉，放入洁净的研钵中混合均匀，将混合粉末装入洁净干燥的石英管中，抽真空并进行高温封管，将装有样品的石英管放入井式炉中进行高温固相反应制得4.926 g SnTe样品；b.高温退火处理：称取步骤a所制得的SnTe样品研磨至均匀粉末状，称取制得的4.500 g SnTe粉末，按照0 ~ 2.5% mol Bi2O3‑
SnTe比例，称取Bi2O3粉，放入研钵中混合均匀，将混合粉末装入洁净干燥的石英管中，抽真空并进行高温封管，将装有样品的石英管放入井式炉中进行高温退火处理，制得所需复合0 ~ 2.5% mol Bi2O3的SnTe样品；c.快速热压烧结工艺：将步骤b所获得复合0 ~ 2.5% mol Bi2O3‑

【专利技术属性】
技术研发人员：宋吉明，徐慧虹，梁小龙，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：