一种碲化铋基热电材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种碲化铋基热电材料、制备方法及其应用，所述碲化铋基热电材料具有如下通式：Ag

【技术实现步骤摘要】
一种碲化铋基热电材料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于能源材料
，涉及一种碲化铋基热电材料、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]当前，从全世界能源使用和开发程度的情况上看，石油能源和煤炭等一次能源正面临枯竭的危险，能源结构的优化和保护环境是人类面临的重大问题。因此，重视可再生能源的使用、优化不可再生能源的使用效率成为世界能源发展的主要方向；热电材料是一种可靠性高、绿色环保、结构简单的新能源材料，在废热回收和致冷方面存在广泛的应用。
[0003]碲化铋基热电材料是目前唯一商用的热电材料，也是目前产业化较为成熟的热电材料，其性能直接决定了预热回收效率和致冷效率。因此，优化碲化铋基热电材料的性能势在必行。
[0004]评价热电材料的最重要指标是热电无量纲热电优值(ZT)，所述ZT是决定温差发电器件发电效率和致冷器件制冷量的唯一标准，因此，提高器件使用范围内热电材料的ZT值是提高其转换效率和制冷效率的唯一途径。
[0005]从评估热电无量纲热电优值(ZT)，ZT＝S2σT/κ，式中：S为塞贝克系数、σ为电导率和κ为热导率，T为温度，可知，材料的性能主要与其电导率σ、塞贝克系数S和热导率κ相关，要提高碲化铋基热电材料的品质因子，就需要改善塞贝克系数、电导率和热导率之间的耦合关系，即提高塞贝克系数和电导率，同时降低热导率。目前产业化的碲化铋基热电材料由于热导率过高造成其室温ZT值在1左右，尤其是n型碲化铋基热电材料，不仅ZT值低，还存在载流子和载流子迁移率低，以及机械性能差的缺陷。
[0006]鉴于上述原因，本专利技术亟需研究一种机械性能优异、商业性强的n型碲化铋基热电材料。

技术实现思路

[0007]为了克服上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，研究出一种碲化铋基热电材料、制备方法及其应用，所述碲化铋基热电材料具有如下通式：Ag
0.01
Bi2Te
2.7
Se
0.3
‑
xMoSe2，其中，0<x≤4wt％，所述碲化铋基热电材料具有优异的机械性能和热电性能。通过Ag源、Mo源、Se源、Te源和Bi源高温熔融、烧结和织构化处理得到，其中，Mo和Se在熔炼过程中生成MoSe2并均匀分布生长在基体相中。由于MoSe2的层状结构能够均匀地生长在碲化铋基体层状结构中，因而能够在载流子及声子迁移的过程中造成大量的散射，增强材料的塞贝克系数和降低晶格热导率。但是由于载流子迁移率的降低，导致了电导率的下降，因此采用在Ag掺杂的基础上进行异质结的构造，既能保证高的电导率和塞贝克系数及低的热导率，从而达到电输运性能和热输运性能之间解耦的目的，又能提升碲化铋基热电材料的热电性能，从而完成了本专利技术。
[0008]具体来说，本专利技术的目的在于提供以下方面：
[0009]第一方面，一种碲化铋基热电材料，所述碲化铋基热电材料为n型碲化铋基材料，
其化学式为Ag
0.01
Bi2Te
2.7
Se
0.3
‑
xMoSe2，其中，0<x≤4wt％。
[0010]第二方面，一种碲化铋基热电材料的制备方法，所述方法包括：
[0011]步骤1，将Ag源、Mo源、Se源、Te源和Bi源高温熔融，制得碲化铋基铸锭；
[0012]步骤2，将所述碲化铋基铸锭烧结，得到n型碲化铋块体材料；
[0013]步骤3，将所述n型碲化铋块体材料进行织构化，获得所述碲化铋基热电材料。
[0014]在步骤1中，根据Ag
0.01
Bi2Te
2.7
Se
0.3
‑
xMoSe2，0<x≤4wt％，称取Ag源、Mo源、Se源、Te源和Bi源。
[0015]其中，所述Ag源为Ag单质，Mo源为Mo单质，Se源为Se单质，所述Te源为Te单质，所述Bi源为Bi单质。
[0016]在步骤1中，所述高温熔融的温度为600～1000℃，优选为700～900℃；时间为3～10h，优选为5～9h。
[0017]在步骤2中，所述烧结包括：于真空度<10Pa时升温至300～410℃，之后调节烧结压力至20～60MPa，升温至420～510℃，保温保压3～12min。
[0018]在步骤2中，烧结前，将所述碲化铋基铸锭进行球磨。
[0019]其中，所述球磨的转速为800～1300rpm/min，优选为900～1200rpm/min，时间为30～300min，优选为50～200min。
[0020]在步骤3中，所述织构化包括：于真空度<10Pa时升温至300～410℃，之后调节烧结压力至18～55MPa，升温至520～580℃，保温保压3～12min。
[0021]第三方面，第一方面所述的碲化铋基热电材料或第二方面所述碲化铋基热电材料的制备方法得到的碲化铋基热电材料在温差发电器件或制冷器件方面的应用。
[0022]本专利技术所具有的有益效果包括：
[0023](1)本专利技术提供的碲化铋基热电材料是一种多晶n型碲化铋基热电材料，具有优异的机械性能，其ZT值在375K可以高达1.28，维氏硬度可达1.2GPa。
[0024](2)本专利技术提供的碲化铋基热电材料的制备方法，通过MoSe2纳米第二相结构，与Ag
0.01
Bi2Te
2.7
Se2基体碲化铋热电材料相比较而言，热电性能甚至提升了23％以上。
[0025](3)本专利技术提供的碲化铋基热电材料的制备方法，Ag的掺杂可以有效地改善载流子的浓度，进而改善所述碲化铋基热电材料的电性能；Mo和Se原位生成与Bi2Te3基材料结构相同的二维材料MoSe2纳米第二相，形成声子散射中心，改善载流子的迁移率，降低晶格热导率，从而解耦电输运性能和热传导之间的耦合关系，二者协同提升碲化铋基热电材料的热电性能。
[0026](4)本专利技术提供的碲化铋基热电材料的制备方法，采用二次热压和MoSe2增强n型碲化铋基热电材料织构化，使得晶粒明显沿着性能优势方向生长，有效提升了材料的择优取向程度，增强了载流子迁移率。
附图说明
[0027]通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本专利技术各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得
其他的附图。
[0028]在附图中：
[0029]图1示出实验例1中的σ
‑
T曲线对比图；
[0030]图2示出实验例1中的S
‑
T曲线对比图；
[0031]图3示出实验例1中的κ
‑
T曲线对比图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碲化铋基热电材料，其特征在于，所述碲化铋基热电材料为n型碲化铋基材料，其化学式为Ag
0.01
Bi2Te
2.7
Se
0.3
‑
xMoSe2，其中，0<x≤4wt％。2.一种碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于，优选的，所述方法包括：步骤1，将Ag源、Mo源、Se源、Te源和Bi源高温熔融，制得碲化铋基铸锭；步骤2，将所述碲化铋基铸锭烧结，得到n型碲化铋块体材料；步骤3，将所述n型碲化铋块体材料进行织构化，获得所述碲化铋基热电材料。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤1中，根据Ag
0.01
Bi2Te
2.7
Se
0.3
‑
xMoSe2，0<x≤4wt％，称取Ag源、Mo源、Se源、Te源和Bi源。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述Ag源为Ag单质，Mo源为Mo单质，Se源为Se单质，所述Te源为Te单质，所述Bi源为Bi单质。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：何海龙，吴翊，熊涛，纽春萍，荣命哲，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：