BiCuSeO/石墨烯复合热电材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种BiCuSeO/石墨烯复合热电材料及其制备方法和应用，其中，该BiCuSeO/石墨烯复合热电材料的化学表达式为Bi

【技术实现步骤摘要】
BiCuSeO/石墨烯复合热电材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于热电陶瓷材料领域，具体涉及一种BiCuSeO/石墨烯复合热电材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]能源与环境问题是人类社会发展面临的两大重要问题。据不完全统计，超过60％的能量以废热的形式被消耗。热电材料内部微观载流子和声子的独特输运特性，使其能够实现热能和电能的直接可逆转换，在废热回收以及局部制冷方面有着重要的应用价值。热电材料对热能和电能的转换能力由其ZT值直接衡量，该值与材料的电导率、塞贝克系数和热导率三者密切相关。然而，由于三者呈一定的反向耦合的关系，因此协同调控三者的关系，提升热电材料的ZT值是科研工作者一直试图解决的主要问题之一。
[0003]近年来，随着量子限域效应、能带工程、全尺度声子散射等策略的相继提出，部分合金热电体系(如SnSe、PbTe、GeTe等)的ZT值可超过2.0。然而，一方面，合金体系较差的热稳定性和化学稳定性难以满足真实服役环境的需求；另一方面，合金体系的制备大多需要苛刻的环境条件(真空/惰性气氛)、复杂的工艺步骤和冗长的制备周期，极大地限制了其实际应用与产业化发展。与合金体系相比，氧化物体系不仅具有良好的高温热稳定性和化学稳定性，而且制备工艺简单，展现出广阔的应用前景。
[0004]层状含氧化合物BiCuSeO因其具有本征低热导的性质受到广泛关注与研究。Pb/Ca双掺可以有效提升BiCuSeO的载流子浓度，从而提高电导率；但是，随着Pb/Ca掺杂量的增加，材料的迁移率明显恶化，热电性能很难进一步提升。同时，现有Pb/Ca双掺BiCuSeO 的制备工艺较为复杂，不利于大规模工业生产。
[0005]因此，现有BiCuSeO热电材料有待改进。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种BiCuSeO/石墨烯复合热电材料及其制备方法和应用，该BiCuSeO/石墨烯复合热电材料具有较高的电导率，较低的热导率和较高的热电性能。具体的，该BiCuSeO/ 石墨烯复合热电材料ZT值不低于1.13。
[0007]本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种BiCuSeO/石墨烯复合热电材料，根据本专利技术的实施例，该BiCuSeO/石墨烯复合热电材料的化学表达式为Bi
0.88
Pb
0.06
Ca
0.06
CuSeO/石墨烯。
[0008]根据本专利技术实施的BiCuSeO/石墨烯复合热电材料，在BiCuSeO的基础上掺杂Pb和Ca，且控制Bi元素、Pb元素和Ca元素的化学计量比为0.88：0.06：0.06，能够有效提高BiCuSeO 热电材料的电导率，同时由于石墨烯具有高迁移率，加入石墨烯复合形成的BiCuSeO/石墨烯复合热电材料不仅具有较高的电学性能，还具有较低的热导率，实现了电学和热学性能的协同调控。由此，该BiCuSeO/石墨烯复合热电材料具有较高的电导率，较低
的热导率和较高的热电性能。
[0009]在本专利技术的一些实施例中，所述BiCuSeO/石墨烯复合热电材料中，所述石墨烯占所述 Bi
0.88
Pb
0.06
Ca
0.06
CuSeO质量的x％，其中x取值为0.03～0.1。由此，该BiCuSeO/石墨烯复合热电材料具有较高的热电性能。
[0010]在本专利技术的一些实施例中，x取值为0.07～0.1。由此，该BiCuSeO/石墨烯复合热电材料具有较高的热电性能。
[0011]本专利技术的再一个方面，本专利技术提出了制备上述BiCuSeO/石墨烯复合热电材料的方法，根据本专利技术的实施例，该方法包括：
[0012](1)将Bi粉、Bi2O3粉、Se粉、Cu粉、PbO粉和CaO粉混合后压片，以便得到生坯；
[0013](2)将所述生坯进行加热，使所述生坯发生自蔓延反应，以便得Bi
0.88
Pb
0.06
Ca
0.06
CuSeO 块体；
[0014](3)将所述Bi
0.88
Pb
0.06
Ca
0.06
CuSeO块体研磨成粉末后与石墨烯粉末混合后进行放电等离子烧结，以便得到BiCuSeO/石墨烯复合热电材料。
[0015]根据本专利技术实施例的制备上述热电材料的方法，通过将Bi粉、Bi2O3粉、Se粉、Cu 粉、PbO粉和CaO粉混合后压片，使各物料粉末接触更加紧密充分，从而有助于自蔓延反应发生，然后对上述生坯进行加热处理，使各物料之间发生自蔓延反应，制备得到的 Bi
0.88
Pb
0.06
Ca
0.06
CuSeO块体具有较高的电导率，最后将Bi
0.88
Pb
0.06
Ca
0.06
CuSeO块体研磨后的粉末与石墨烯粉末混合后进行放电等离子烧结，由于石墨烯材料具有高迁移率，从而使得得到的BiCuSeO/石墨烯复合热电材料不仅具有较高的电学性能，还具有较低的热导率，实现了电学和热学性能的协同调控。本申请的方法工艺简单，对实验设备和场地要求较低，有利于规模化、工业化生产。由此，采用该方法制备的BiCuSeO/石墨烯复合热电材料具有较高的电导率，较低的热导率和较高的热电性能。
[0016]另外根据本专利技术的上述实施例制备BiCuSeO/石墨烯复合热电材料的方法还具有如下附加技术特征：
[0017]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述Bi粉、Bi2O3粉、Se粉、Cu粉、PbO 粉和CaO粉的摩尔比为0.294：0.293：1.03：1：0.06：0.06。由此，可以提高热电材料的电导率。
[0018]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述压片的压力为4～6MPa。由此，可以使各物料之间接触的更加紧密充实，有利于各物料之间的自蔓延反应的发生。
[0019]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述加热的温度为400～600℃，时间为 30～90s。由此，有利于各物料之间发生自蔓延反应。
[0020]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(3)中，所述放电等离子烧结条件为：烧结温度为 873～923K，压力为40～50MPa，保温4～6min。由此，可以得到具有较高电导率，较低热导率和较高热电性能的BiCuSeO/石墨烯复合热电材料。
[0021]本专利技术的另一个方面，本专利技术提出了一种热电器件，根据本专利技术的实施例，该热电器件包括上述BiCuSeO/石墨烯复合热电材料或采用上述方法制备得到的BiCuSeO/石墨烯复合热电材料。由此，该热电器件具有较好的热电性能，在军事航天、废热利用、垃圾焚烧等领域具有广阔的应用前景。
[0022]本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种BiCuSeO/石墨烯复合热电材料，其特征在于，所述BiCuSeO/石墨烯复合热电材料的化学表达式为Bi
0.88
Pb
0.06
Ca
0.06
CuSeO/石墨烯。2.根据权利要求1所述的复合热电材料，其特征在于，所述复合热电材料中，所述石墨烯占所述Bi
0.88
Pb
0.06
Ca
0.06
CuSeO质量的x％，其中x取值为0.03～0.1。3.根据权利要求2所述的复合热电材料，其特征在于，x取值为0.07～0.1。4.根据权利要求1所述的复合热电材料，其特征在于，所述复合热电材料ZT值不低于1.13。5.一种制备权利要求1
‑
4中任一项所述复合热电材料的方法，其特征在于，包括：(1)将Bi粉、Bi2O3粉、Se粉、Cu粉、PbO粉和CaO粉混合后压片，以便得到生坯；(2)将所述生坯进行加热，使所述生坯发生自蔓延反应，以便得Bi
0.88
Pb
0.06
Ca
0.06
CuSe...

【专利技术属性】
技术研发人员：林元华，周志方，南策文，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：