CN103236493A - TmCuTe2化合物及其制备和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热电材料TmCuTe2化合物的制备方法及其用途。该化合物属于三方晶系，空间群为
Figure DDA0000318214941
，晶胞参数为
Figure DDA0000318214942
，，α = β =90°, γ = 120°，Z = 8，晶胞体积为
Figure DDA0000318214944
。采用高温固相法合成TmCuTe2化合物粉体，将得到的粉体进行热压烧结即可得到块体材料。该材料在754K时达到最佳热电优化值为0.81，接近于目前商业化热电材料体系的热电优值，而且该化合物高温稳定性好，因此可用于热-电转换器件制作。

Description

TmCuTe2化合物及其制备和用途
技术领域
本发明既属于无机化学领域也属于材料科学领域，它涉及一种新型热电材料的制备方法及其用途。
背景技术
热电材料是指利用固体内部载流子（电子或空穴）运动来实现热能和电能直接相互转换的绿色环保型功能材料，其热电器件具有安全环保，清洁高效，结构简单、质量轻体积小、无运动部件、使用寿命长等优点，可以为绿色消费品及工业品的发展铺平道路，推动国民经济的可持续发展。在能源危机和环境污染日益严重的今天，进行新型热电材料的探索研究具有很强的现实意义，同时为能源问题的解决开辟一条新的途径。目前，热电材料主要应用于温差发电和热电制冷方面，根据其运作温度主要分为三类：在低温区(300–500K) 以碲化铋及其合金的热电性能最好，在中温区(500–800K) 以碲化铅及其合金性能最好，在高温区(800–1200K) 以硅锗合金性能最好。但是这些体系未掺杂的材料的热电优值（ZT）并不高，比如，PbTe未掺杂优化最大值为0.50，SiGe未掺杂优化最大值为0.50，而方钴矿未掺杂优化最大值仅为0.04；通过掺杂优化后的形成的重掺杂材料在热电优值上一般有很大程度的提高。但是，近半个世纪的研究结果表明，通过掺杂等手段对材料的转换效率进行提升的幅度有限；而通过纳米化等手段得到性能提升的复合材料，虽然转换效率提升较大，但热稳定性却因纳米颗粒的高温聚合熟化作用而大大降低。因此，探索发现新颖高效热电化合物是获得高稳定性，高转换效率热电材料的有效途径之一。
近几年来，有报道研究证明在一些类似金刚石结构的化合物中，若存在有序的原子空位或者高度的原子无序的情况下会产生较强的声子散射，从而导致化合物具有较低的晶格热导，最终实现较高的热电优值ZT, 比如，含过渡元素（如Cu和Ag）的硫属碲化合物，由于化合物结构中的Cu或Ag离子的高度无序而导致该体系出现非常低的热导，进而导致较高的ZT值。基于已报道的研究，我们进一步开展含过渡元素Cu的稀土/硫属体系的热电材料的探索工作，发现一例新的热电材料TmCuTe2，理论计算表明该化合物为窄带隙半导体，禁带宽度约为0.2 eV, 同时该化合物具有高温稳定性（在1273K不分解），热电性能测试表明其热电优值为0.81＠754K。相关工作，至今未见文献报道。
发明内容
本发明的目的: (1)提供一种单晶体，其化学式为TmCuTe2; (2)提供化合物TmCuTe2的制备方法; (3) 提供化合物TmCuTe2的热电性能指标; (4) 提供热电材料TmCuTe2的用途。
本发明提供了化合物TmCuTe2的单晶体。
该单晶体，属于三方晶系，空间群为
Figure BDA0000318214921
，晶胞参数为
Figure BDA0000318214922
，
Figure BDA0000318214923
，α = β=90°, γ = 120°，Z = 8，晶胞体积为。晶体结构如图1所示。该晶体结构中含有晶体学独立的两个Tm, 三个Cu,和四个Te。其中，Wyckoff位点为6i的两个Cu存在无序，其在格位上的占有率分别为0.76和0.24。Cu在形式上是四配位的，连接四个Te，每个CuTe4四面体以共边的形式连接形成二维的Cu-Te层, Tm填充在二维的Cu-Te层与层之间。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了该化合物的制备方法，包括如下步骤：将单质原料按Tm、Cu、Te摩尔比为1:1:2比例称量，采用高温固相合成法，密封条件在1173～1373K烧结，冷却至室温，即可获得化合物TmCuTe2。将得到的化合物样品研磨成粉末，对其进行XRD测试。同时将得到的TmCuTe2样品在1273K保温一天退火后再进行XRD测试，表明该化合物为高温稳定相（见图2）。
本发明提供了该化合物的热电性能指标。
该热电材料的目标产物粉体在30-50 Mpa下进行热压烧结，在450-600度保温15-40分钟，即可得到目标的块体材料。热电测试表明该化合物在754K时，热导为0.60 W/m·K,电导为191 S/cm，塞贝克系数为183 μV/K，最佳热电优化值为0.81（图3-6）。
本发明提供了该热电材料化合物的用途，其特征在于：该化合物用可应用于热-电转换器件制作。
附图说明
图1是TmCuTe2晶体结构示意图。
图2是TmCuTe2晶体X射线衍射图谱，其中a是根据晶体结构拟合得到的X射线衍射图谱，b是采用高温固相合成法得到的化合物TmCuTe2样品研磨成粉末后X射线衍射测试得到的图谱，c是化合物TmCuTe2样品在1000℃保温退火后粉末X射线衍射测试得到的图谱。所用X射线粉末衍射仪的型号为D/MAX2500，生产厂家：Rigaku Corporation。
图3是化合物TmCuTe2热导率。
图4是化合物TmCuTe2电导率。
图5是化合物TmCuTe2塞贝克系数。
图3热导率的测试采用德国耐驰(Netzsch，LFA427)热导仪，图4和图5的电导率和塞贝克系数采用热电性能测定仪ZEM-3(ULAC-RIKO，Inc.)。
图6是化合物TmCuTe2热电优化值ZT与温度的关系。
具体实施方式
实施例1
采用高温固相法合成化合物TmCuTe2。
具体操作步骤如下： 将Tm，Cu和 Te三种原材料按化学计量比混合后封于石英管中并置于管式炉，从室温加热至1273K，保温50小时后，冷却至室温，即可获得化合物TmCuTe2。将化合物的粉体在50 MPa，833K保温30分钟条件下进行热压烧结，即可得到块体材料。

Claims (6)

1.化学式为TmCuTe2的化合物，该化合物属于三方晶系，空间群为
Figure FDA0000318214911
，晶胞参数为
Figure FDA0000318214912
，α = β =90°, γ = 120°，Z = 8，晶胞体积为
Figure FDA0000318214913
。
2.制备权利要求1所述的化合物的方法，包括如下步骤：将单质原料Tm、Cu、Te按摩尔比为1:1:2比例称量并混合，采用高温固相合成法，密封条件在1173～1373K烧结，冷却至室温，即可获得化合物TmCuTe2。
3.权利要求1所述的化合物TmCuTe2的单晶体。
4.利用权利要求1所述的化合物制备块体材料的方法，包括如下步骤：将所述的化合物粉体在30-50 MPa, 723-873K保温15-40分钟条件下进行热压烧结，即可得到块体材料。
5.采用权利要求4所述的方法制备获得的块体材料。
6.权利要求1所述的材料用于制备热-电转换器件。
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