CN103435099B - 快速制备单相Bi2S3热电化合物的方法 - Google Patents
快速制备单相Bi2S3热电化合物的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种快速制备单相Bi2S3热电化合物的方法，它包括以下步骤：1)按化学计量比Bi∶S=2∶3.06准备Bi粉和S粉作为原料，相对于化合物Bi2S3的化学计量比来说，原料硫粉过量2%，然后将它们研磨混合均匀得到反应物；2）将步骤1）所述反应物引发自蔓延反应或热爆反应，反应完成后自然冷却，即可得到单相Bi2S3热电化合物。本发明具有反应速度快、设备简单、重复性好和高效节能等优点。
Description
技术领域
本发明属于新能源材料制备技术领域，具体涉及快速制备Bi2S3热电化合物的方法。
背景技术
全球自然环境的破坏，以及各国不可再生的化石能源的消耗，已经为世人敲响了沉重的警钟。可持续发展战略的提出，无疑是顺应当下现实发展需求一个前瞻性成果。为了减轻环境破坏与能源消耗的负担，全球很多科学工作者正在将其注意力集中在寻找和开发可再生的新能源上。
热电转换技术能够通过热电材料的Seebeck效应和Peltier效应实现电能和热能之间的直接的相互的转换，其作为一种环境友好型的能源转换技术在工业余热及废热，汽车废气等方面有着重要的应用前景。同时它还具有无传动部件、体积小、无噪音、可靠性好等优点。热电材料的转换效率主要由热电优值ZT决定，ZT=a 2 s T/k，其中a为Seebeck系数、s为电导率、k为热导率、T为绝对温度。
Bi2S3这类体系的热电材料，具有较好的电性能和较低的热导率，因而具有较高的ZT值。同时，其拥有原料储量丰富、价值低廉等优点。
目前，制备Bi2S3热电材料的方法主要采用传统的熔融方法。由于S的熔点较低（115℃），在长时间反应过程中，S挥发严重，从而对样品性能的重复性产生较大影响。因此，如何开发一种能够精确控制化合物的化学计量比、高效节能、低成本的制备工艺，成为研究者们关注的重点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供快速制备Bi2S3热电材料，反应速度快、重复性好，能有效控制产物化学计量比。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
快速制备单相Bi2S3热电化合物的方法，它包括以下步骤：
1) 按化学计量比Bi：S=2：3.06准备Bi粉和S粉作为原料，相对于化合物Bi2S3的化学计量比来说，原料硫粉过量2%，然后将它们研磨混合均匀得到反应物；
2将步骤1）所述反应物引发自蔓延反应（SHS，Self-propagating High-temperature Synthesis）或热爆反应（TER，Thermal Explosion Reaction），反应完成后自然冷却，即可得到单相 Bi2S3热电化合物。
上述方案中，所述步骤1）中Bi粉、S粉的质量纯度均大于等于99.9%。。
上述方案中，所述反应物为粉体或者压制成块体。
上述方案中，所述步骤2）中自蔓延反应是将反应物进行端部加热引发反应，采用空气气氛或者真空。
上述方案中，所述步骤2）中热爆反应是将反应物真空密封后进行整体加热促发起爆反应，加热的温度是500℃，加热的时间为2~3min。
上述制备方法所得到粉体单相Bi2S3热电化合物。
以上述内容为基础，在不脱离本发明基本技术思想的前提下，根据本领域的普通技术知识和手段，对其内容还可以有多种形式的修改、替换或变更，如自蔓延反应气氛可换为其它不与Bi粉和S粉反应的惰性气氛等。
本发明对起始原料提供必要的能量诱发热化学反应，形成燃烧波，此后的反应就在之前反应的热量支持下继续进行，反应蔓延结束后形成所需的Bi2S3热电化合物。
与现有的Bi2S3制备方法相比，本发明的优点为：
第一，本发明首次采用自蔓延高温合成技术及热爆反应制备了Bi2S3热电材料粉体，具有反应速度快、设备简单、重复性好、升降温速率快和能有效控制产物化学计量比等优点。
第二，本发明主要采用Bi粉和S粉，原材料成本低廉。
附图说明
图1（a）和（b）分别为实施例1中步骤3）得到的自蔓延反应后粉末的XRD图谱和SEM图（从左到右分别放大5.00 k倍和10.00 k倍）。
图2（a）和（b）分别为实施例2中步骤3）得到的自蔓延反应后粉末的XRD图谱和SEM图（从左到右分别放大5.00 k倍和10.00 k倍）。
图3（a）和（b）分别为实施例3中步骤3）得到的自蔓延反应后粉末的XRD图谱和SEM图（从左到右分别放大5.00 k倍和10.00 k倍）。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。下述实施例中Bi粉和S粉的质量纯度均不低于99.9%。
实施例1
快速制备单相Bi2S3热电化合物的方法，它包括以下步骤：
1) 按化学计量比Bi：S=2：3.06准备Bi粉和S粉作为原料（相对于化合物Bi2S3的化学计量比来说，原料硫粉过量2%），然后将它们研磨混合均匀得到反应物，压制成10mm圆柱状块体，总质量为4.3g；
2将步骤1）所述块体反应物置于玻璃管内在空气气氛中加热块体的端部，进行局部起爆引发自蔓延反应，反应完成后自然冷却，即可得到单相 Bi2S3热电化合物。
图1（a）和（b）分别为实施例1中步骤3）得到的自蔓延反应后粉末的XRD图谱和SEM图（从左到右分别放大5.00 k倍和10.00 k倍）。从图1可以看出，所得产物为单相Bi2S3化合物，其粉末晶粒尺寸范围分布较广。
实施例2
快速制备单相Bi2S3热电化合物的方法，它包括以下步骤：
1) 按化学计量比Bi：S=2：3.06准备Bi粉和S粉作为原料，然后将它们研磨混合均匀得到反应物，压制成10mm圆柱状块体，总质量为4.3g；
2将步骤1）所述块体反应物真空密封于玻璃管中，置于恒温炉进行整体加热促发热爆反应，炉温和反应时间分别为： 500℃，2min，反应完成后自然冷却，即可得到单相 Bi2S3热电化合物。
图2（a）和（b）分别为实施例2中步骤3）得到的热爆反应后粉末的XRD图谱和SEM图（从左到右分别放大5.00 k倍和10.00 k倍）。从图2可以看出，所得产物为单相Bi2S3化合物，其粉末晶粒尺寸范围分布较广。
实施例3
快速制备单相Bi2S3热电化合物的方法，它包括以下步骤：
1) 按化学计量比Bi：S=2：3.06准备Bi粉和S粉作为原料，然后将它们研磨混合均匀得到反应物，压制成10mm圆柱状块体，总质量为4.3g；
2将步骤1）所述块体反应物真空密封于玻璃管中，置于恒温炉进行整体加热促发热爆反应，炉温和反应时间分别为： 500℃，3min，反应完成后自然冷却，即可得到单相 Bi2S3热电化合物。
图3（a）和（b）分别为实施例3中步骤3）得到的热爆反应后粉末的XRD图谱和SEM图（从左到右分别放大5.00 k倍和10.00 k倍）。从图3可以看出，所得产物为单相Bi2S3化合物，其粉末晶粒尺寸范围分布较广。
Claims (3)
1.快速制备单相Bi2S3热电化合物的方法，其特征在于它包括以下步骤：
1) 按化学计量比Bi：S=2：3.06准备Bi粉和S粉作为原料，然后将它们研磨混合均匀得到反应物；
2）将步骤1）所述反应物引发自蔓延反应或热爆反应，反应完成后自然冷却，即可得到单相 Bi2S3热电化合物；
所述步骤2）中自蔓延反应是将反应物进行端部加热引发反应，采用空气气氛或者真空；热爆反应是将反应物真空密封后进行整体加热促发起爆反应，加热的温度是500℃，加热的时间为2~3min。
2.根据权利要求1所述的快速制备单相Bi2S3热电化合物的方法，其特征在于所述步骤1）中Bi粉、S粉的质量纯度均大于等于99.9%。
3.根据权利要求1所述的快速制备单相Bi2S3热电化合物的方法，其特征在于所述反应物为粉体或者压制成块体。
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