CN101237018A - 同轴电缆结构纳米热电材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米热电材料。本发明包括线状纳米内芯和同轴设置的外套，二者采用不同的热电材料。制备该结构纳米热电材料的方法是：将原料加入反应容器中，加入蒸馏水、硼氢化钾、氢氧化钠和对十二烷基苯磺酸钠，制得纳米内芯；将纳米内芯洗涤、干燥，分散在溶剂中，进行表面处理；将纳米内芯加入高压反应釜中，再加入原料、硼氢化钾和氢氧化钠，加入蒸馏水，制得同轴电缆结构纳米热电材料。本发明的原料为Bi、Sb、Zn、Pb、Co、Fe、Sn的可溶性盐、碲粉和硒粉中的二种或二种以上。本发明相对于传统结构的热电材料，由于其独特的微观结构，以及界面积增加，可以增强声子输运降低热电材料的传热系数，提高热电优值，从而提高材料的热电转换效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体热电材料技术领域，涉及热电材料，具体的是一种同轴电缆结构纳米热电材料，及其该结构热电材料的制备方法。
背景技术
热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料，即利用Seebeck效应实现热能直接转换成电能，相反利用Peltier效应使热量从低温端到高温端的转移实现制冷。由于具有无传动部件、无燥声运行、无污染、精确可靠等优异性能，由热电材料构建的热电转换装置是理想的电源和制冷器，广泛用于己于人石石油化工、检测仪器、航空航天、家用电器等许多领域。
与传统的冰箱或发电机相比，热电材料的热电转换效率偏低(小于10％)，这也是热电材料发展的最大瓶颈。热电材料的热电转换效率取决于无量纲的热电优值ZT：ZT＝S2σT/K，S为Seebeck系数，T为绝对温度，σ为电导率，K为热导率。传统热电材料的热电优值ZT均小于1。一直以来，科学家们尝试各式新的途径提高热电材料的热电优值，解决热电转换效率低这一长期困惑的问题，其中发展新型结构的热电材料是一个重要的手段。
发明内容
本发明的目的就是提供一种新型结构的热电材料，可以有效解决热电转换效率低这一问题，同时提供该结构热电材料的制备方法。
本发明的同轴电缆结构纳米热电材料包括线状纳米内芯和包覆在纳米内芯外的外套，纳米内芯和外套紧密配合，同轴设置；纳米内芯和外套采用不同的热电材料。
所述的纳米内芯的材料为Sb2Te3或Bi2Te3，以及用Sn、Se、Pb、Zn、Co、Fe取代或部分取代Sb、Bi和Te的热电材料。
所述的外套的材料为Sb2Te3或Bi2Te3，以及用Sn、Se、Pb、Zn、Co、Fe取代或部分取代Sb、Bi和Te的热电材料。
本发明的同轴电缆结构纳米热电材料的制备方法具体步骤是：
a.将Bi、Sb、Zn、Pb、Co、Fe、Sn的可溶性盐、碲粉和硒粉中的二种或二种以上加入反应容器中，然后加入蒸馏水、硼氢化钾、氢氧化钠和表面活性剂对十二烷基苯磺酸钠，在50℃～100℃条件下反应12～48小时，制得同轴电缆结构热电材料的纳米内芯；
b.将所得的纳米内芯先后用乙醇和蒸馏水洗涤并干燥，将干燥后的纳米内芯分散在溶剂中，加入表面处理助剂后常温下搅拌进行表面处理；
c.将经过表面处理后的纳米内芯加入高压反应釜中，再将Bi、Sb、Zn、Pb、Co、Fe、Sn的可溶性盐、碲粉和硒粉中的二种或二种以上加入反应容器中，然后加入硼氢化钾和氢氧化钠，加入蒸馏水至反应釜容积的70％～90％，在120℃～200℃条件下反应12～48小时，获得同轴电缆结构纳米热电材料。
其中步骤a和c中所述的Bi、Sb、Zn、Pb、Co、Fe、Sn的可溶性盐为硝酸盐、硫酸盐或氯化物。
其中步骤b中所述的溶剂为水、甲醇、乙醇、丙酮、甲苯中的一种或几种的混合物。
其中步骤b中所述的表面处理助剂为一端带有-SH基团、另一端带有-COOH基团的官能团化合物，其浓度为0.1wt％～20wt％。这些官能团化合物表面处理助剂的端基，能够与热电材料的内芯和外套中的铋、锑、锌、铅、钴、铁、锡等元素进行络合，从而实现内芯与外套的连接。
本发明的同轴电缆结构纳米热电材料，其中内芯和外套均为热电材料。相对于传统结构的热电材料，同轴电缆结构热电材料由于其独特的微观结构，以及界面积增加，可以显著增强声子输运降低热电材料的传热系数，提高热电优值，从而提高材料的热电转换效率。
附图说明
图1为本发明同轴电缆结构纳米热电材料的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，同轴电缆结构纳米热电材料包括线装纳米内芯1和包覆在纳米内芯1外的外套2，纳米内芯1和外套2紧密配合，同轴设置；纳米内芯1和外套2采用不同的热电材料。
纳米内芯1的材料为Sb2Te3或Bi2Te3，以及用Sn、Se、Pb、Zn、Co、Fe取代或部分取代Sb、Bi和Te的热电材料。
外套2的材料为Sb2Te3或Bi2Te3，以及用Sn、Se、Pb、Zn、Co、Fe取代或部分取代Sb、Bi和Te的热电材料。
本发明中制备方法具体为：
实施例1：
1)在反应容器中，依次加入0.1克碲粉、0.12克氯化铋、200毫升蒸馏水、0.5克对十二烷基苯磺酸钠、1.5克氢氧化钠、1克硼氢化钠。搅拌并使反应釜温度控制在50℃，保温48h，获Bi2Te3纳米内芯材料；
2)将Bi2Te3纳米粉体取出，然后分别用乙醇和蒸馏水洗涤后干燥；
3)将洗净的Bi2Te3纳米粉体放入200毫升烧杯中，加入100毫升水，并用磁力搅拌。然后加入0.1克表面处理试剂疏基乙酸，常温下搅拌5h进行表面处理。
4)将经过表面处理剂处理后的Bi2Te3纳米粉体分别用乙醇和蒸馏水洗净干燥，然后加入高压反应釜中，再依次加入0.1克碲粉、0.12克氯化锑、1.5克氢氧化钠、1克硼氢化钠。加入蒸馏水至反应釜容积的70％，进行溶剂热反应并使反应釜温度控制在120℃，保温48h，获Bi2Te3为内芯，Sb2Te3为外套的同轴电缆结构纳米热电材料。
实施例2：
1)在反应容器中，依次加入0.1克碲粉、0.12克氯化锑、200毫升蒸馏水、0.5克对十二烷基苯磺酸钠、1.5克氢氧化钠、1克硼氢化钠。搅拌并使反应釜温度控制在100℃，保温12h，获Sb2Te3纳米内芯材料；
2)将Sb2Te3纳米粉体取出，然后分别用乙醇和蒸馏水洗涤后干燥；
3)将洗净的Sb2Te3纳米粉体放入200毫升烧杯中，加入100毫升乙醇，并用磁力搅拌。然后加入20克表面处理试剂疏基丙酸，常温下搅拌5h进行表面处理。
4)将经过表面处理剂处理后的Sb2Te3纳米粉体分别用乙醇和蒸馏水洗净干燥，然后加入高压反应釜中，再依次加入0.1克碲粉、0.12克氯化铋、1.5克氢氧化钠、1克硼氢化钠。加入蒸馏水至反应釜容积的90％，进行溶剂热反应并使反应釜温度控制在200℃，保温12h，获Sb2Te3为内芯，Bi2Te3为外套的同轴电缆结构纳米热电材料。
实施例3：
1)在反应容器中，依次加入0.1克硒粉、0.12克硝酸锑、200毫升蒸馏水、0.5克对十二烷基苯磺酸钠、1.5克氢氧化钠、1克硼氢化钠。搅拌并使反应釜温度控制在80℃，保温18h，获Sb2Se3纳米内芯材料；
2)将Sb2Se3纳米粉体取出，然后分别用乙醇和蒸馏水洗涤后干燥；
3)将洗净的Sb2Se3纳米粉体放入200毫升烧杯中，加入100毫升水，并用磁力搅拌。然后加入10克表面处理试剂双疏基乙二酸，常温下搅拌5h进行表面处理。
4)将经过表面处理剂处理后的Sb2Se3纳米粉体分别用乙醇和蒸馏水洗净干燥，然后加入高压反应釜中，再依次加入0.1克碲粉、0.06克氯化铋、0.06克硫酸铁、1.5克氢氧化钠、1克硼氢化钠。加入蒸馏水至反应釜容积的90％，进行溶剂热反应并使反应釜温度控制在180℃，保温18h，获Sb2Se3为内芯，BiFeTe3为外套的同轴电缆结构纳米热电材料。
实施例4：
1)在反应容器中，依次加入0.1克碲粉、0.12克氯化锑、200毫升蒸馏水、0.5克对十二烷基苯磺酸钠、1.5克氢氧化钠、1克硼氢化钠。搅拌并使反应釜温度控制在100℃，保温12h，获Sb2Te3纳米内芯材料；
2)将Sb2Te3纳米粉体取出，然后分别用乙醇和蒸馏水洗涤后干燥；
3)将洗净的Sb2Te3纳米粉体放入200毫升烧杯中，加入50毫升蒸馏和50毫升丙酮，并用磁力搅拌。然后加入8克表面处理试剂疏基丙酸，常温下搅拌5h进行表面处理。
4)将经过表面处理剂处理后的Sb2Te3纳米粉体分别用乙醇和蒸馏水洗净干燥，然后加入高压反应釜中，再依次加入0.1克硝酸钴、0.25克硝酸锑、1.5克氢氧化钠、2克硼氢化钠。加入蒸馏水至反应釜容积的90％，进行溶剂热反应并使反应釜温度控制在200℃，保温12h，获Sb2Te3为内芯，CoSb3为外套的同轴电缆结构纳米热电材料。
实施例5：
1)在反应容器中，依次加入0.1克碲粉、0.15克硫酸铋、200毫升蒸馏水、0.5克对十二烷基苯磺酸钠、1.5克氢氧化钠、1克硼氢化钠。搅拌并使反应釜温度控制在60℃，保温40h，获Bi2Te3纳米内芯材料；
2)将Bi2Te3纳米粉体取出，然后分别用乙醇和蒸馏水洗涤后干燥；
3)将洗净的Bi2Te3纳米粉体放入200毫升烧杯中，加入100毫升甲苯，并用磁力搅拌。然后加入0.2克表面处理试剂疏基乙酸，常温下搅拌5h进行表面处理。
4)将经过表面处理剂处理后的Bi2Te3纳米粉体分别用乙醇和蒸馏水洗净干燥，然后加入高压反应釜中，再依次加入0.1克硝酸钴、0.25克硝酸锑、1.5克氢氧化钠、2克硼氢化钠。加入蒸馏水至反应釜容积的80％，进行溶剂热反应并使反应釜温度控制在180℃，保温18h，获Bi2Te3为内芯，CoSb3为外套的同轴电缆结构纳米热电材料。
Claims (2)
1、同轴电缆结构纳米热电材料，包括线状纳米内芯和包覆在纳米内芯外的外套，其特征在于纳米内芯和外套紧密配合，同轴设置；纳米内芯和外套采用不同的热电材料；
所述的纳米内芯的材料为Sb2Te3或Bi2Te3，以及用Sn、Se、Pb、Zn、Co、Fe取代或部分取代Sb、Bi和Te的热电材料；
所述的外套的材料为Sb2Te3或Bi2Te3，以及用Sn、Se、Pb、Zn、Co、Fe取代或部分取代Sb、Bi和Te的热电材料。
2、制备如权利要求1所述的同轴电缆结构纳米热电材料的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
a.将Bi、Sb、Zn、Pb、Co、Fe、Sn的可溶性盐、碲粉和硒粉原料中的二种或二种以上加入反应容器中，然后加入蒸馏水、硼氢化钾、氢氧化钠和对十二烷基苯磺酸钠，在50℃～100℃条件下反应12～48小时，制得同轴电缆结构热电材料的纳米内芯；
b.将所得的纳米内芯先后用乙醇和蒸馏水洗涤并干燥，将干燥后的纳米内芯分散在溶剂中，加入表面处理助剂进行表面处理；
c.将经过表面处理后的纳米内芯加入高压封闭反应釜中，再加入Bi、Sb、Zn、Pb、Co、Fe、Sn的可溶性盐、碲粉和硒粉原料中的二种或二种以上，然后加入硼氢化钾和氢氧化钠，加入蒸馏水至反应釜容积的70％～90％，在120℃～200℃条件下反应12～48小时，获得同轴电缆结构纳米热电材料；
步骤a和c中所述的Bi、Sb、Zn、Pb、Co、Fe、Sn的可溶性盐为硝酸盐、硫酸盐或氯化物；
步骤b中所述的溶剂为水、甲醇、乙醇、丙酮、甲苯中的一种或几种的混合物；所述的表面处理助剂为一端带有-SH基团、另一端带有-COOH基团的官能团化合物，其浓度为0.1wt％～20wt％。
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