CN105642884A - 一种具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料的制备方法,其特征在于:首先通过将活化的Bi0.5Sb1.5Te3热电粉末加入含硫酸铜的化学镀镀液中进行包覆,获得具有Cu镀层的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体;然后对其进行压制、烧结,即获得具有核-壳结构的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu块体热电材料。本发明的方法所得Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体中Cu镀层的成分可控,且制粉量大、速度快、粉体镀层均匀;此外,本发明的处理工艺较简单、设备成本较低;所制备的具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料热导率低、电导率高,且ZT值和硬度同时获得提升。
Description
一、技术领域
本发明涉及热电材料制备领域,具体地说是一种具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料的制备方法。
二、背景技术
热电材料是将热能和电能相互转换的一类功能材料,其利用Seebeck效应可将热能直接转化成电能—温差发电,或利用Peltier效应通过电能驱动实现热量从冷端向热端的输运—热电制冷。一方面热电材料可在无环境污染的条件下将工业余热、太阳能、地热等热源得以有效利用,另一方面工作无噪音、无排放、安全不失效特点可使其应用于日常生活以及军事、信息等高技术领域。由于人类对缓解能源危机和治理环境污染两方面的迫切需要,研究和开发热电功能材料已成为各国发展战略及材料、物理等领域的必然和紧迫任务。
目前,国内外研究报道的热电材料制备方法较多的是水热法、机械合金化、薄膜法、低维化法、掺杂法、氧化物合成法等。武汉理工大学(国家发明专利CN104671222A)采用铟单质作为助燃剂促进发生自蔓延燃烧合成反应,制备Sb2Te3基热电粉体,再进行等离子体放电烧结,热电优值ZT提升至0.71。北京科技大学(国家发明专利CN101656292A)采用造孔剂溶解铋碲基纳米粉末再进行等离子体放电烧结,烧结过程中利用造孔剂的升华挥发,在块体材料中形成纳米孔洞结构。
但现有制备热电材料的方法普遍存在工艺复杂、成本较高、处理时间较长、难以批量生产的问题。
三、发明内容
为避免上述现有技术所存在的不足之处,本发明旨在提供一种具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料的制备方法,所要解决的技术问题是提高传统Bi-Te基热电材料热电转换效率和力学性能。
本发明解决技术问题,采用如下技术方案:
本发明具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料的制备方法,其特点在于包括如下步骤:
(1)制备Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体
对粒径不大于100μm的Bi0.5Sb1.5Te3热电粉末进行活化干燥,将活化的Bi0.5Sb1.5Te3热电粉末加入化学镀镀液中,60℃下对化学镀镀液进行超声水浴,完成包覆;然后过滤、洗涤并干燥,所得粉体在氢气中还原,即获得具有Cu镀层的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体;所述化学镀镀液是由硫酸铜、甲醛和乙二胺四乙酸二钠混合构成的水溶液,并通过氢氧化钠调节pH至12;
(2)制备具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料
将步骤(1)所制备的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体以10MPa的单位压力压制得到压坯;将所述压坯置于放电等离子烧结炉中,在Ar2保护下,20~60MPa的压力下,以60℃/min的升温速率升温至400-450℃,烧结3-5min,即获得具有核-壳结构的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu块体热电材料。
其中,所述Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体中Cu镀层的厚度通过化学镀镀液中硫酸铜的浓度进行控制。
步骤(1)在氢气中还原的还原温度300℃,还原时间1-1.5小时。
与已有技术相比,本发明的有益效果体现在:
与目前水热合成制备方法相比,本发明的方法所得Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体中Cu镀层的成分可控,且制粉量大、速度快、粉体镀层均匀;此外,本发明的处理工艺较简单、设备成本较低;所制备的具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料热导率低、电导率高,且ZT值和硬度同时获得提升。
四、附图说明
图1为本发明实施例1所得Bi0.5Sb1.5Te3-Cu(0.22wt.%)块体热电材料与不含铜(0wt.%)的Bi0.5Sb1.5Te3块体热电材料的热电传输性能对比图:(a)塞贝克系数和电导率,(b)功率因子,(c)热导率,(d)ZT值;
图2为本发明实施例2所得Bi0.5Sb1.5Te3-Cu(0.05.%)块体热电材料与不含铜(0wt.%)的Bi0.5Sb1.5Te3块体热电材料的热电传输性能对比图:(a)塞贝克系数和电导率,(b)功率因子,(c)热导率,(d)ZT值;
图3为本发明实施例3所得Bi0.5Sb1.5Te3-Cu(0.15wt.%)块体热电材料与不含铜(0wt.%)的Bi0.5Sb1.5Te3块体热电材料的热电传输性能对比图:(a)塞贝克系数和电导率,(b)功率因子,(c)热导率,(d)ZT值。
五、具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1:
本实施例按如下步骤制备具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料:
(1)制备Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体
取粒径不大于100μm的Bi0.5Sb1.5Te3热电粉末为基体粉末,在浓度为5%的硝酸溶液中超声水浴30分钟,之后沉淀,并用去离子水冲洗3遍,在50℃下干燥4小时,得到活化的Bi0.5Sb1.5Te3热电粉末。
将活化的Bi0.5Sb1.5Te3热电粉末加入化学镀镀液中,在60℃下对化学镀镀液超声水浴30分钟,包覆粉末;然后沉淀,并用去离子水冲洗3遍,随后在50℃下干燥4小时,所得粉体在氢气中300℃下还原1小时,即获得具有Cu镀层的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体;化学镀镀液包括5g/L的硫酸铜、7mL/L的甲醛和20g/L的乙二胺四乙酸二钠,且使用氢氧化钠调节pH至12。
(2)制备具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料
将步骤(1)所制备的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体以10MPa的单位压力压制得到压坯;将压坯置于放电等离子烧结炉中,在Ar2气氛中,40MPa的压力下,以60℃/min的升温速率升温至400℃,烧结3min,即获得具有核-壳结构的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu块体热电材料。
本实施例所制备的具有Cu镀层的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体,Cu在整个粉体中质量比含量达到0.22wt.%;所制得的压坯在400℃温度下烧结3min后,烧结样相对密度达98.5%。
为进行对比,本实施例还制备了Cu含量为0wt.%的热电材料,具体方法是:直接使用相同的Bi0.5Sb1.5Te3原始热电粉末,使用相同的烧结工艺,烧结成块体。下述实施例中所用的Cu含量为0wt.%的对比样与本实施例相同。
图1为本实施例所得Bi0.5Sb1.5Te3-Cu(0.22wt.%)块体热电材料与不含铜(0wt.%)的Bi0.5Sb1.5Te3块体热电材料的热电传输性能对比图:(a)塞贝克系数和电导率,(b)功率因子,(c)热导率,(d)ZT值。从图1(a)可以看出镀Cu后,样品的塞贝克系数下降较多,但电导率有大幅度的提升,达到了2992S/cm,因此图1(b)中功率因子在高温端得到了大幅度的提高。虽然由于电导率的大幅提升导致室温下热导率太高,但因为晶界处不同粒径的富铜颗粒散射声子,同时高温端电导率有所下降,使得图1(c)中高温热导率下降明显,最后得到如图1(d)所示ZT值在573K下达到了0.89。在材料的热电性能提高的同时,从表1可以看出材料的硬度也提高了至少15%。
表1.块体样品的显微硬度
实施例2:
本实施例按如下步骤制备具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料:
(1)制备Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体
取粒径不大于100μm的Bi0.5Sb1.5Te3热电粉末为基体粉末,在浓度为5%的硝酸溶液中超声水浴30分钟,之后沉淀,并用去离子水冲洗3遍,在50℃下干燥4小时,得到活化的Bi0.5Sb1.5Te3热电粉末。
将活化的Bi0.5Sb1.5Te3热电粉末加入化学镀镀液中,在60℃下对化学镀镀液超声水浴30分钟,包覆粉末;然后沉淀,并用去离子水冲洗3遍,随后在50℃下干燥4小时,所得粉体在氢气中300℃下还原1.5小时,即获得具有Cu镀层的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体;化学镀镀液包括1g/L的硫酸铜、2mL/L的甲醛和5g/L的乙二胺四乙酸二钠,且使用氢氧化钠调节pH至12,
(2)制备具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料
将步骤(1)所制备的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体以10MPa的单位压力压制得到压坯;将压坯置于放电等离子烧结炉中,在Ar2气氛中,40MPa的压力下,以60℃/min的升温速率升温至400℃,烧结3min,即获得具有核-壳结构的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu块体热电材料。
本实施例所制备的具有Cu镀层的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体,Cu在整个粉体中质量比含量达到0.05wt.%;所制得的压坯在400℃温度下烧结3min后,烧结样相对密度达98.3%。
图2为本实施例所得Bi0.5Sb1.5Te3-Cu(0.05.%)块体热电材料与不含铜(0wt.%)的Bi0.5Sb1.5Te3块体热电材料的热电传输性能对比图:(a)塞贝克系数和电导率,(b)功率因子,(c)热导率,(d)ZT值。从图2(a)可以看出镀Cu后,样品的低温端塞贝克系数有所下降,但高温段塞贝克系数比原始样品高,同时电导率整体提高,室温下达到了1253S/cm,因此图2(b)中功率因子在全部的温度区间得到了大幅度的提高。同时图2(c)中热导率也在整个温度区间里下降明显,所以如图2(d)所示ZT值得到全面的提高,在372K时达到1.08。在材料的热电性能大幅提高的同时,从表2可以看出材料的硬度也有所提高。
表2.块体样品的显微硬度
实施例3:
本实施例按如下步骤制备具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料:
(1)制备Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体
取粒径不大于100μm的Bi0.5Sb1.5Te3热电粉末为基体粉末,在浓度为5%的硝酸溶液中超声水浴30分钟,之后沉淀,并用去离子水冲洗3遍,在50℃下干燥4小时,得到活化的Bi0.5Sb1.5Te3热电粉末。
将活化的Bi0.5Sb1.5Te3热电粉末加入化学镀镀液中,在60℃下对化学镀镀液超声水浴30分钟,包覆粉末;然后沉淀,并用去离子水冲洗3遍,随后在50℃下干燥4小时,所得粉体在氢气中300℃下还原1.5小时,即获得具有Cu镀层的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体;化学镀镀液包括2g/L的硫酸铜、4mL/L的甲醛和8g/L的乙二胺四乙酸二钠,且使用氢氧化钠调节pH至12。
(2)制备具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料
将步骤(1)所制备的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体以10MPa的单位压力压制得到压坯;将压坯置于放电等离子烧结炉中,在Ar2气氛中、40MPa的压力下,以60℃/min的升温速率升温至400℃,烧结3min,即获得具有核-壳结构的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu块体热电材料。
本实施例所制备的具有Cu镀层的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体,Cu在整个粉体中质量比含量达到0.15wt.%;所制得的压坯在400℃温度下烧结3min后,烧结样相对密度达98.5%。
图3为本实施例所得Bi0.5Sb1.5Te3-Cu(0.15wt.%)块体热电材料与不含铜(0wt.%)的Bi0.5Sb1.5Te3块体热电材料的热电传输性能对比图:(a)塞贝克系数和电导率,(b)功率因子,(c)热导率,(d)ZT值。从图3(a)可以看出镀Cu后,样品的低温端塞贝克系数有所下降,但高温段塞贝克系数比原始样品高,同时电导率整体提高,室温下达到了2206S/cm,图3(b)中功率因子在全部的温度区间得到了改善,高温端得到大幅度提高。同时图3(c)热导率在低温端高于原始样品,但高温端有明显下降,所以如图3(d)所示当温度高于373K,ZT值得到提高,在573K时达到0.81。在材料的热电性能改善的同时,从表3可以看出材料的硬度至少提高了11%。
表3.块体样品的显微硬度
Claims (3)
1.一种具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)制备Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体
对粒径不大于100μm的Bi0.5Sb1.5Te3热电粉末进行活化干燥,将活化的Bi0.5Sb1.5Te3热电粉末加入化学镀镀液中,60℃下对化学镀镀液进行超声水浴,完成包覆;然后过滤、洗涤并干燥,所得粉体在氢气中还原,即获得具有Cu镀层的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体;所述化学镀镀液是由硫酸铜、甲醛和乙二胺四乙酸二钠混合构成的水溶液,并通过氢氧化钠调节pH至12;
(2)制备具有核-壳结构的Bi-Te基热电材料
将步骤(1)所制备的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体以10MPa的单位压力压制得到压坯;将所述压坯置于放电等离子烧结炉中,在Ar2保护下,20~60MPa的压力下,以60℃/min的升温速率升温至400-450℃,烧结3-5min,即获得具有核-壳结构的Bi0.5Sb1.5Te3-Cu块体热电材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述Bi0.5Sb1.5Te3-Cu核-壳结构粉体中Cu镀层的厚度通过化学镀镀液中硫酸铜的浓度进行控制。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)在氢气中还原的还原温度300℃,还原时间1-1.5小时。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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