一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料、制备方法及应用，涉及热电材料技术领域。解决了现有半霍伊斯勒热电材料本征晶格热导率较高以及常规熔融法制备工艺受组分元素熔点差异局限的问题。该材料是由非化学计量比的Zr、Ni、Bi元素组成且晶体结构中具有本征空位缺陷的半霍伊斯勒热电材料，其化学式为Zr

【技术实现步骤摘要】
一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料、制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及热电材料
，特别涉及一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]热电功率发电技术可将低品质废热直接转换为高品质电能，具有零排放、无噪音、无机械运动部件等优点，属于新一代绿色能源技术。半霍伊斯勒化合物由于其独特性质已成为热电功率发电领域的明星材料。
[0003]然而，传统半霍伊斯勒化合物作为热电材料的主要弊端在于其本征高晶格热导率。通常利用引入异质原子的方法以降低晶格热导率，而该方法由于异质原子溶解度极限的存在导致晶格热导率降低有限，仍显著高于其他经典热电材料的晶格热导率(如：Bi2Te3、PbTe)。因此，为进一步挖掘半霍伊斯勒化合物的热电性能，充分发挥其功率发电潜力，在材料端直接开发本征低晶格热导率的新型半霍伊斯勒化合物是重要发展路径。同时，常规的熔融法制备工艺针对组分元素熔点差异过大的情况，难以实现组分含量精确控制，直接制约了新材料的开发。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于：为了解决现有半霍伊斯勒热电材料本征晶格热导率较高以及常规熔融法制备工艺受组分元素熔点差异局限的问题，通过高能球磨、热压烧结、高温退火工艺流程制备出一种新型缺陷态半霍伊斯勒化合物，化学式为Zr
0.88
NiBi，其晶格热导率在室温仅为1.4W/(m
·
K)，是目前半霍伊斯勒材料体系的实验最低值。
[0005]本专利技术为了实现上述目的具体采用以下技术方案：/>[0006]一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料，是由非化学计量比的Zr、Ni、Bi元素组成且晶体结构中具有本征空位缺陷的半霍伊斯勒热电材料，其化学式为Zr
0.88
NiBi。
[0007]本专利技术还提供一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1、按预设比例取Zr、Ni、Bi单质，使用高能球磨法对原料进行球磨，获得无块状凝结的混合粉末；
[0009]S2、采用热压烧结工艺对混合粉末进行固化得热压烧结样品；
[0010]S3、对热压烧结样品进行高温退火，降温冷却至室温得到成品的材料。
[0011]进一步的，在氩气惰性氛围下进行球磨。
[0012]进一步的，所述S1中球磨时间为20
‑
30小时，球和原料的质量比1.33
‑
1.66。
[0013]进一步的，所述S2中升温速率100
‑
200℃/分钟，热压温度700
‑
750℃，压强70
‑
80MPa。
[0014]进一步的，所述S2热压烧结的维持时长2
‑
5分钟。
[0015]进一步的，所述S3中升温速率3
‑
4℃/min，退火温度700
‑
750℃。
[0016]进一步的，所述S3高温退火的时长40
‑
50小时。
[0017]本专利技术还提供一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料的应用。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0019]1.本专利技术所提供的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料，采用非化学计量比的Zr、Ni、Bi元素组成，同时专利技术人调控各个元素发现，调控Ni和Bi产生空位缺陷，均难以产生效果，进而调整Zr空位缺陷，得到了化学式为Zr
0.88
NiBi，对其表征发现，该半霍伊斯勒热电材料在晶体结构中具有本征空位缺陷，同时测得其晶格热导率在室温下低至1.4W/(m
·
K)，是目前半霍伊斯勒材料体系的实验最低值。
[0020]2.本专利技术所提供的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料的制备方法，采用高能球磨法，直接化合Zr、Ni、Bi单质，最终获得无块状凝结的均匀粉末。采用热压烧结工艺以实现球磨粉末的快速固化。对热压烧结样品高温退火处理，同时调整各阶段的各工艺参数，使得所制备成的成品材料热力学结构稳定，晶格热导率在室温下低至1.4W/(m
·
K)，具有优异的性能，且制备方法简单，易操作，便于广泛推广。
[0021]3.本专利技术所提供的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料的应用，具有普遍适用性，应用前景良好。
附图说明：
[0022]图1为本专利技术实施例2的半霍伊斯勒热电材料2和对比例1中的对比样品1的X射线衍射图谱。
[0023]图2为本专利技术实施例2的半霍伊斯勒热电材料和传统半霍伊斯勒热电材料的晶格热导率对比分析图。
[0024]图1的纵坐标为强度。
[0025]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0026]因此，以下对提供的本专利技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
具体实施方式
[0027]一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料，是由非化学计量比的Zr、Ni、Bi元素组成且晶体结构中具有本征空位缺陷的半霍伊斯勒热电材料，其化学式为Zr
0.88
NiBi。
[0028]对于缺陷类型进行调控，具体的过程为：
[0029]基于Zr、Ni、Bi的外层电子数，符合化学计量比的ZrNiBi：
[0030]价电子数＝4(Zr 5s24d2)+10(Ni 4s23d8)+5(Bi 6s26p3)＝19
[0031]净价电子数＝4(Zr
4+
5s04d0)
‑
0(Ni03d
10
)
‑
3(Bi3‑
6s26p6)＝1
[0032]此时，非热力学稳定结构。从能量的角度出发，结合18电子规则，净价电子数的减少有利于稳定结构的出现。
[0033]针对Zr的调控：
[0034]价电子数＝3(0.75Zr 5s24d2)+10(Ni 4s23d8)+5(Bi 6s26p3)＝18
[0035]净价电子数＝3(0.75Zr
4+
5s04d0)
‑
0(Ni03d
10
)
‑
3(Bi3‑
6s26p6)＝0
[0036]针对Ni的调控：
[0037]价电子数＝4(Zr 5s24d2)+9(0.9Ni 4s23d8)+5(Bi 6s26p3)＝18
[0038]净价电子数＝4(Zr
4+
5s04d0)
‑
0(0.9Ni03d
10
)
‑
3(Bi3‑
6s26p6)＝1
[0039]针对Bi的调控：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料，其特征在于，是由非化学计量比的Zr、Ni、Bi元素组成且晶体结构中具有本征空位缺陷的半霍伊斯勒热电材料，其化学式为Zr
0.88
NiBi。2.根据权利要求1所述的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、按预设比例取Zr、Ni、Bi单质，使用高能球磨法对原料进行球磨，获得无块状凝结的混合粉末；S2、采用热压烧结工艺对混合粉末进行固化得热压烧结样品；S3、对热压烧结样品进行高温退火，降温冷却至室温得到成品的材料。3.根据权利要求2所述的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料，其特征在于，在氩气惰性氛围下进行球磨。4.根据权利要求3所述的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料，其特征在于，所述S1中球磨时间为20
‑
30小时，球和原料的质量比1.33
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：任武洋，王志明，巫江，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：