CN103050618B - 一种热电材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热电材料及其制备方法，属于无机材料领域。本发明采用无机高温固相一步合成法进行合成。本发明合成的CsxRE2Cu6-xTe6化合物属六方晶系，空间群为P63/m。CsxRE2Cu6-xTe6(RE＝La，Ce，Pr)初步热电性能测试表明该系列化合物有相对高电导率，中等Seebeck系数和相对低热导，其ZT值：0.26(La，614K)，0.17(Ce，660K)和0.23(La，660K)。它们可能具有潜在的热电应用价值。

Description

一种热电材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种热电材料及其制备方法，属于无机材料领域。
背景技术
热电材料是一种能够通过固体中载流子的运输实现热能和电能的直接转换的功能材料，被认为是将来非常有竞争力的能源替代介质。热电转换技术是利用热电材料的Seebeck效应和Peltier效应将热能和电能进行互相转化的一种新能源转换技术。该技术具有清洁、静音、使用管理方便、适应环境广及安全可靠性高的优点。热电转换技术的开发与利用在解决未来的能源危机、提供清洁能源及提高能源利用效率等方面将起到越来越重要的作用。
热电材料的性能取决于材料热优值ZT，ZT通常表示为ZT＝S2σT/κ，式中S称为Seebeck系数或温差电势，σ为材料的导电率，κ为导热率。σ，S和κ参量取决于电子结构和载流子的散射，κ＝κL+κe，降低κ关键在于降低κL，即增强晶格点阵对声子的散射从而降低热导率。在过去十多年中，对热电材料的研究与开发，主要集中在两个方面，一、是对传统具有良好热电性能块材如PbTe，Bi2Te3进行性能优化(如参杂，超晶格或做成纳米材料)，提高其功率因子(S2σ)或降低其热导从而提高其热优值ZT；二、研制和开发新型有潜在良好热电性能材料，在过去的十多年，相继发现一些有潜在良好的热电性能材料，如方钴矿，笼合物。然而，尽管过去十多年来，热电材料在理论上及实验有很大的进展，热电材料ZT值一直在0.4-1.3的范围变化，远达不到实用化；要达到实现温差发电及通电制冷实用化的目标，ZT值达到3以上。与此同时，在过去的十多年，由于反应熔剂法在高温固相合成的应用，成功合成一些结构新颖的碱金属(碱土金属)/稀土/铜/碲化合物，如层状结构A1-xRECu1+xTe4，Rb2CeCu3Te5，KEuCu2Te4和BaRECuTe3，隧道结构A3RE4Cu5Te10，CsRE2CuTe4和CsSc3Cu2Te6；但目前这些发现的这些化合物报道的热电性能都比较差。在本申请专利，CsxRE2Cu6-xTe6双隧道化合物初步的实验结果表明该系列化合物具有良好的热电性能，是目前所发现的这一类化合物中热电性能最好的，同时该性能也与目前一些有名的热电材料相比。
发明内容
为了探索新型的热电材料，本发明通过反应熔剂法高温固相反应，提供一种碱金属(碱土金属)/稀土/铜/碲化合物，它们可能具有潜在的热电应用价值。
本发明中，CsxRE2Cu6-xTe6化合物属六方晶系，空间群为P63/m。Cs0.75(2)La2Cu5.25(2)Te6单胞参数为 Z＝1；Cs0.77(2)Ce2Cu5.23(2)Te6单胞参数为 Z＝1；Cs0.73(2)Pr2Cu5.27(2)Te6单胞参数为 Z＝1；Cs0.75(2)Nd2Cu5.25(2)Te6单胞参数为 Z＝1。本发明已成功合成CsxRE2Cu6-xTe6(RE＝La，Ce，Pr，Nd)单晶和纯相。
CsxRE2Cu6-xTe6(RE＝La，Ce，Pr)初步热电性能测试表明，该系列化合物有相对高的电导率，中等的Seebeck系数和相对低的热导，其ZT值：0.26(La，614K)，0.17(Ce，660K)和0.23(La，660K)。
本发明的一种热电材料的制备实施方式：
按物质的量之比CsCl∶RE∶Cu∶Te＝过量∶2.4∶5∶6投料，在850℃-1150℃范围内在真空烧结反应，即获得本发明研制的新型热电材料。
本发明的制备方法，其突出优点在于：
1.成本低廉，制备技术简单，产物为CsxRE2Cu6-xTe6和副产物Cs3RECl6，Cs3RECl6和CsCl均易溶于水，通过水洗即可得到在水及空气中稳定的目标产物即CsxRE2Cu6-xTe6。
2.可大量合成纯相，可实现放大生产。
附图说明
图1为CsxRE2Cu6-xTe6(RE＝La，Ce，Pr，Nd)的结构图
图2为CsxLa2Cu6-xTe6的模拟单晶衍射图谱和粉末衍射图谱
具体实施方式
实例1
在手套箱操作，按物质的量之比CsCl∶RE(La，Ce，Pr，Nd)∶Cu∶Te＝3∶2.4∶5∶6投料，总重量约10克，装入(φ11×13mm)石英管，再把石英管在真空下熔封闭。然后反应物放在程序控温管式炉中，加热程序为：从室温以75℃/小时速率升至600℃，然后以12℃/小时速率升至950℃，在950℃保温50小时，接着以2℃/小时速率降至600℃，关门炉子让其自然冷却。冷却将石英管取出，敲开外层的石英玻璃，即得CsxRE2Cu6-xTe6烧结条块，将条块粉碎，用蒸馏水水洗多遍，除去CsCl及其Cs3RECl6副产物后，接着用无水醇洗涤，再进行烘干，即得纯的目标产物。
实例2
在手套箱操作，按物质的量之比CsCl∶RE(La，Ce，Pr)∶Cu∶Te＝2∶2.4∶5∶6投料，总重量约18克，装入(φ11×13mm)石英管，再把石英管在真空下熔封闭。然后反应物垂直放在程序控温管式炉中，加热程序为：从室温以75℃/小时速率升至600℃，然后以12℃/小时速率升至1000℃，在1000℃保温50小时，接着以10℃/小时速率降至600℃，关门炉子让其自然冷却。冷却将石英管取出，敲开外层的石英玻璃，即得CsxRE2Cu6-xTe6烧结条块，石英管底部4-5mm处主要为目标产物CsxRE2Cu6-xTe6，石英管顶部1mm处主要为CsCl-Cs3RECl6低共熔混合物。将底部4-5mm样品打磨成圆片(直径：10mm，厚3mm)和方块(9×3×2mm)进行热电性能测试，其ZT值：0.26(La，614K)，0.17(Ce，660K)和0.23(Pr，660K)。

Claims (6)

1.一种热电材料，其分子式为：CsxRE2Cu6–xTe6，式中RE选自La、Ce、Pr和Nd；该化合物属六方晶系，空间群为P63/m。
2.如权利要求1所述的热电材料，其特征在于：该材料分子式为Cs0.75(2)La2Cu5.25(2)Te6单胞参数为Z＝1。
3.如权利要求1所述的热电材料，其特征在于：该材料分子式为Cs0.77(2)Ce2Cu5.23(2)Te6单胞参数为Z＝1。
4.如权利要求1所述的热电材料，其特征在于：该材料分子式为Cs0.73(2)Pr2Cu5.27(2)Te6单胞参数为Z＝1。
5.如权利要求1所述的热电材料，其特征在于：该材料分子式为Cs0.75(2)Nd2Cu5.25(2)Te6单胞参数为Z＝1。
6.一种权利要求1热电材料的制备方法，包括如下步骤：按物质的量之比RE：Cu：Te＝2.4：5：6投料，CsCl过量，在850℃–1150℃范围内在真空烧结反应。
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