CN102583391A - 高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的制备方法 - Google Patents

高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的制备方法，属于热电材料制备领域，具体而言是一种用微波反应法制备高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的方法的技术方案。其特征在于是由MgH2粉、Si粉和过渡金属氢化物TMHy粉在微波炉中反应，反应全过程在流动Ar气保护下，MgH2和TMHy分解温度均小于350℃，在反应过程中反应物易于分解并均匀分布于基体中，其强还原性有助于抑制基体表面吸附氧和氧化产物的进一步形成，得到纯度为≥99.95％的高纯纳米Mg2-xSiTMx粉末。本方法的特点是工艺简单且高效节能，制备出的Mg1-xSiTMx热电材料具有较好的热电性能。

Description

高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的制备方法
技术领域
本发明高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的制备方法，属于热电材料制备领域，具体而言是一种用微波反应法制备高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的方法的技术方案。
背景技术
相对于Bi2Te3、PbTe和SiGe合金体系的热电材料，Mg2Si半导体性能指标高达14，廉价环保，原材料储量丰富，具有低密度、高熔点、高比强度和良好的热物理性能，被誉为最有发展前景的一类中温热电材料。目前Mg2Si热电材料传统的制备方法为利用单质的Mg粉和Si粉直接冶炼化合而成，制备技术主要包括机械合金化(MA)、热压(HP)、放电等离子烧结(SPS)等。这些技术存在的主要问题是制备工艺复杂、反应时间长、Mg粉氧化损失严重、产物纯度和均匀度低，严重降低了Mg2Si热电材料的ZT值。纯Mg2Si晶格热导率较高，热电性能差，必须通过掺杂和低维化提高热电性能。过渡金属掺杂的高纯纳米Mg2Si具有较高的热电性能。
发明内容
本发明高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的制备方法，目的在于针对以上现有技术存在的问题，从而提供一种高效的微波反应法制备高纯纳米Mg2-xSiTMx热电材料的方法。
本发明高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的制备方法，其特征在于该方法是一种用微波反应法制备高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的方法，该方法是由MgH2粉、Si粉和过渡金属氢化物TMHy粉在微波炉中反应，反应全过程在流动Ar气保护下，MgH2和TMHy分解温度均小于350℃，在反应过程中反应物易于分解并均匀分布于基体中，其强还原性有助于抑制基体表面吸附氧和氧化产物的进一步形成，得到纯度为≥99.95％的高纯纳米Mg2-xSiTMx粉末，反应方程式为：(2-x)MgH2+Si+xTMHy＝Mg2-xSiTMx+(2-x+xy/2)H2，式中，x＝0.0025-0.01，TMHy为：YH2-3，LaH2-3，CeH2-3，具体步骤为：将MgH2粉、Si粉和TMHy粉在手套箱中按Mg2-xSiTMx的化学计量比称量，其中x＝0.0025-0.01，在球磨机中混和均匀，然后将反应粉体5装入三口石英烧瓶4中，将瓶口密封，将密封好的三口石英烧瓶4置于微波炉1中，两端分别与氩气瓶7和插入矿物油8中的排气管连接；先打开氩气进气阀2，后打开另一端排气阀3，使插入矿物7中的排气管有持续气泡冒出，并防止空气倒流入管内；启动微波电源，反应粉体5在功率为0.1-1kW微波作用下进行反应3-10min，然后关闭电源，使反应生成的Mg2-xSiTMx粉末随炉冷却。
上述高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的制备方法，其特征在于所述的MgH2粉粒度小于45μm，Si粉粒度小于20nm，掺杂物质为分解温度小于350℃，还原性强的过渡金属氢化物TMHy，粒度小于45μm，反应配方摩尔比为(2-x)mol MgH2∶1mol Si∶x mol TMHy，其中x＝0.0025～0.01，TMHy为YH2-3，LaH2-3，CeH2-3，配好的混合粉体在微波电磁场的作用下，反应极性物质分子由原来的热运动状态转变为跟随微波电磁场的交变不断重新排列取向，分子间产生激烈摩擦，微波的电磁能转化为物质的热能，从而强化了反应进行，形成纯度≥99.95％高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料。
本发明高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的制备方法，其优点在于：
MgH2粉、Si粉和TMHy粉的混合粉体在微波场的作用下，微波电磁场与温度场作用相结合，通过微波与物质分子的相互作用增加了粉体颗粒表面能和内能，提高了反应焓和反应速率，从而提高了反应速度和反应效果，使产物具有纯度高且具有纳米结构等特征。
MgH2不易与氧反应，在配粉以及装入三口石英烧瓶过程中有效避免了氧的侵入，在加热反应阶段，烧瓶内通入Ar气保护，反应副产物H2也有助于防止产物氧化，从而保证了产物的高纯度。TMHy热稳定差，还原性强，有助于进一步减少产物中氧化物含量，提高产物纯度。反应速度快，反应产物Mg2-xSiTMx粉末的颗粒度在30nm以下，纯度≥99.95％，且产物的成分分布均匀。
附图说明
图1是高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的微波反应装置，图中
1微波炉，2进气阀，3出气阀，4三口石英烧瓶，5反应粉体，
6石英旋转台，7氩气瓶，8矿物油，9微波发生器
图2是高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的TEM照片。
具体实施方式
实施方式1
将MgH2粉(平均粒度36μm，纯度99.8％)、纳米Si粉(平均粒度20nm，纯度99.90％)和YH2-3粉(平均粒度35μm，纯度99.8％)以1.9975mol MgH2，1mol Si和0.0025mol YH2比例混合后形成反应粉体5，然后将反应粉体5装入三口石英烧瓶4中，将瓶口密封。将密封好的三口石英烧瓶4置于微波炉1中，两端分别与氩气瓶7和插入矿物油8中的排气管连接；先打开氩气进气阀2，后打开另一端排气阀3，使插入矿物7中的排气管有持续气泡冒出，并防止空气倒流入管内；启动微波电源，反应粉体5在功率为0.5kW微波作用下进行反应5min，然后关闭电源，使反应生成的Mg2-xSiTMx粉末随炉冷却。待炉温冷却到室温，取出粉末，产物平均颗粒度约35nm，纯度为99.95％。
实施方式2
将MgH2粉(平均粒度36μm，纯度99.8％)、纳米Si粉(平均粒度20nm，纯度99.90％)和YH2-3粉(平均粒度35μm，纯度99.8％)以1.995mol MgH2，1mol Si和0.005mol YH2比例混合后形成反应粉体5，然后将反应粉体5装入三口石英烧瓶4中，将瓶口密封。将密封好的三口石英烧瓶4置于微波炉1中，两端分别与氩气瓶7和插入矿物油8中的排气管连接；先打开氩气进气阀2，后打开另一端排气阀3，使插入矿物7中的排气管有持续气泡冒出，并防止空气倒流入管内；启动微波电源，反应粉体5在功率为1kW微波作用下进行反应3min，然后关闭电源，使反应生成的Mg2-xSiTMx粉末随炉冷却。待炉温冷却到室温，取出粉末，产物平均颗粒尺寸约34nm，纯度为99.97％。
实施方式3
将(平均粒度36μm，纯度99.8％)、纳米Si粉(平均粒度20nm，纯度99.90％)和YH2-3粉(平均粒度35μm，纯度99.8％)以1.99mol MgH2，1mol Si和0.01mol YH2比例混合后形成反应粉体5，然后将反应粉体5装入三口石英烧瓶4中，将瓶口密封。将密封好的三口石英烧瓶4置于微波炉1中，两端分别与氩气瓶7和插入矿物油8中的排气管连接；先打开氩气进气阀2，后打开另一端排气阀3，使插入矿物7中的排气管有持续气泡冒出，并防止空气倒流入管内；启动微波电源，反应粉体5在功率为1kW微波作用下进行反应3min，然后关闭电源，使反应生成的Mg2-xSiTMx粉末随炉冷却。待炉温冷却到室温，取出粉末，产物平均颗粒尺寸约32nm，纯度为99.98％。

Claims (2)

1.一种高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的制备方法，其特征在于该方法是一种用微波反应法制备高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的方法，该方法是由MgH2粉、Si粉和过渡金属氢化物TMHy粉在微波炉中反应，反应全过程在流动Ar气保护下，MgH2和TMHy分解温度均小于350℃，在反应过程中反应物易于分解并均匀分布于基体中，其强还原性有助于抑制基体表面吸附氧和氧化产物的进一步形成，得到纯度为≥99.95％的高纯纳米Mg2-xSiTMx粉末，反应方程式为：(2-x)MgH2+Si+xTMHy＝Mg2-xSiTMx+(2-x+xy/2)H2，式中，x＝0.0025-0.01，TMHy为：YH2-3，LaH2-3，CeH2-3，具体步骤为：将MgH2粉、Si粉和TMHy粉在手套箱中按Mg2-xSiTMx的化学计量比称量，其中x＝0.0025-0.01，在球磨机中混和均匀，然后将反应粉体(5)装入三口石英烧瓶(4)中，将瓶口密封，将密封好的三口石英烧瓶(4)置于微波炉(1)中，两端分别与氩气瓶(7)和插入矿物油(8)中的排气管连接；先打开氩气进气阀(2)，后打开另一端排气阀(3)，使插入矿物(7)中的排气管有持续气泡冒出，并防止空气倒流入管内；启动微波电源，反应粉体(5)在功率为0.1-1kW微波作用下进行反应3-10min，然后关闭电源，使反应生成的Mg2-xSiTMx粉末随炉冷却。
2.按照权利要求1所述的高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料的制备方法，其特征在于所述的MgH2粉粒度小于45μm，Si粉粒度小于20nm，掺杂物质为分解温度小于350℃，还原性强的过渡金属氢化物TMHy，粒度小于45μm，反应配方摩尔比为2-x mol MgH2∶1mol Si∶x molTMHy，其中x＝0.0025～0.01，TMHy为YH2-3，LaH2-3，CeH2-3，配好的混合粉体在微波电磁场的作用下，反应极性物质分子由原来的热运动状态转变为跟随微波电磁场的交变不断重新排列取向，分子间产生激烈摩擦，微波的电磁能转化为物质的热能，从而强化了反应进行，形成纯度≥99.95％高纯纳米粉体Mg2-xSiTMx热电材料。
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