CN104362248A - 溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法。本发明采用溶剂热法，称取亚碲酸钠，醋酸钠和PVP，按顺序加入乙二醇作为溶剂和还原剂，在常温常压下搅拌均匀，然后将所得混合溶液倒入反应釜中，并将反应釜放在恒温箱中反应，反应结束后让反应釜自然降至室温，得到的产物为碲纳米线。随后将碲纳米线放入培养皿中置于恒温箱中数天后，所得产品为Te/TeO2纳米复合材料。该产品的单根纳米线的塞贝克系数高达81mVK-1，迄今为止是最高的值。本发明工艺简单，对设备要求低，可控程度高，成本低，产物纯度高，是制备Te/TeO2纳米复合材料的好方法。

Description

溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法
技术领域
本发明涉及新能源热电转换材料技术领域，特别是涉及一种溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法。
技术背景
热电材料的热电转换效率取决于无量纲热电优值(ZT)ZT＝α2σTκα是Seebeck系数，σ是电导率，Κ是热导率，T是绝对温度。且等于晶格热导率ΚL与载流子热导率ΚC之和(ΚC＝L0Tσ,L0为Lorenz常数)。降低Κ、增大α和σ是提高ZT值的三种途径。从热电优值的表达式中可以看出塞贝克系数与ZT值是一个平方关系，因此大幅度增加塞贝克系数来实现ZT值大幅度增加一直是热电材料学家和物理学家追求的目标。
20世纪50至60年代，相续发现了热电转换性能较高的制冷和发电材料，如Bi2Te3、PbTe、SiGe等固溶体合金。迄今为止，Bi2Te3基合金仍是在室温附近具有最佳热电转换性能的材料之一，其热电优值可达1.0左右，在各种制冷温度低、制冷负荷较小的场合有着广阔的应用前景。从这些可以看出，Te基材料在热电领域研究较早、发展较成熟，是最具有应用前景的热电材料之一，其制备工艺、热电性能和晶体结构等已进行了广泛研究。近年来，低温水热法及热压法、球磨热压法、热压烧结、快速凝固法、化学蚀刻方法、机械合金法、放电等离子体烧结等工艺先后用于制备高性能的碲基块体热电材料，但到目前为止，塞贝克系数都比较低，导致ZT得不到显著提高，达不到应用的要求，因此如何制备热电性能优异的Te基热电材料仍是需要探索的课题。
由于纳米尺度热电材料及热电材料低维化会使材料费米能级附近态密度的提高，从而提高塞贝克系数，达到高的热电转换效率。因此，各种各样的热电纳米材料被制备出来。虽然Te基纳米结构最近被广泛的研究，但是所得产品的最高塞贝克系数值也达不到10mVK-1，迄今为止，塞贝克系数报道最高达到45mVK-1，因此，研究者们需要探索提高塞贝克系数的新方法。最近许多研究发现纳米材料中复合/掺杂部分纳米晶或纳米颗粒后具有高的塞贝克系数。然而，就我们所知，液相法是制备复合材料很好的方法，如果我们能利用液相法制备出特殊的碲基复合纳米热电材料，则可以保证碲基块体热电材料与现有碲基材料相比具有较高的塞贝克系数，而且制备工艺简单，对设备要求低，可控程度高，是高塞贝克系数复合纳米材料制备的好方法。
发明内容
本发明的目的是：提供一种溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法。所制备的碲/氧化碲纳米复合材料不同于以往形貌的碲基热电材料。
本发明的目的得以实现需采用的技术方案是：
一种溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法的步骤为：将0.2～0.5mmol质量分数97.0％～99.9％的前躯体粉末、0.2～0.5mmol醋酸钠和0.1～0.4gPVP加入到10～20ml乙二醇溶液中，混合溶液在室温下进行磁力搅拌，待混合均匀后，将该混合液倒入反应釜内衬中，封闭反应釜后放入恒温烘箱内，恒温烘箱以固定的升温速度从室温升到反应温度，在恒定反应温度下反应，反应结束关闭烘箱，让反应釜自然环境下冷却到室温，将生成的沉淀样品分别用去离子水和无水乙醇洗涤，得到的产物为单晶碲纳米材料，将制得的单晶碲纳米材料在培养皿中恒温条件下放置数天后，即可收集到碲/氧化碲纳米复合材料。
所述的前躯体粉末为亚碲酸钠。所述的单晶碲纳米材料为碲纳米线。
所述的培养皿中放置时间为20～30天。所述的培养皿中恒定温度为50～80℃。
所述的恒温烘箱中的升温速度为15℃/min。
所述的恒温烘箱中的反应温度为160～200℃。所述的恒温烘箱中的反应时间为6～10h。
所述的反应釜内衬为四氟乙烯反应釜内衬。所述的碲/氧化碲纳米复合材料的单根纳米复合材料的塞贝克系数高达81mV·K-1。
本发明与现有技术相比，其突出效果是：工艺简单，对设备要求低，可控程度高，与现有热电材料相比，具有非常高的塞贝克系数，是高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料制备的好方法。该装置简单，对设备要求低，可控程度高。
附图说明
图1是用本发明实施例1制得的Te/TeO2纳米线的SEM和TEM图；
图2是用本发明实施例1制得的Te/TeO2纳米线的光电子能谱图；
图3是用本发明实施例1制得的Te/TeO2纳米线的塞贝克系数图。
具体实施方式
本发明提供的溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法是：先将亚碲酸钠，醋酸钠和PVP加入到乙二醇溶液中反应制备碲纳米线，然后在常温常压下使碲纳米线的表面在空气中部分被氧化，通过控制反应过程的工艺参数，获得高塞贝克系数的碲/氧化碲纳米复合材料。具体步骤如下：
(1)将0.2～0.5mmol质量分数97.0％～99.9％的前躯体粉末、0.2～0.5mmol醋酸钠和0.1～0.4gPVP加入到10～20ml乙二醇溶液中，混合溶液在室温下进行磁力搅拌，待混合均匀后，将该混合溶液倒入聚四氟乙烯内衬中，封闭反应釜后放入恒温烘箱内。
(2)上述恒温烘箱，以15℃/min的升温速度从室温升到160～200℃，在160～200℃恒温6～10h，随后被自然冷却到室温，即可收集到均匀的单晶碲纳米线。
(3)完成步骤(2)后，将碲纳米线在培养皿中放置20～30天，所得产品为Te/TeO2纳米复合材料。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
实施例1
(1)将12.5mL乙二醇溶液倒入25mL的聚四氟乙烯内衬中，置于磁力搅拌器的正中间位置。将0.041g醋酸钠，0.056g亚碲酸钠和0.2g PVP依次加入聚四氟乙烯内衬中，在室温下进行磁力搅拌，待混合均匀后，封闭高压反应釜后放入恒温烘箱内。
(2)上述恒温烘箱，以15℃/min的升温速度从室温升到180℃，在180℃恒温8h，随后自然冷却到室温，即得到均匀的单晶碲纳米线。
(3)完成步骤(2)后，将单晶碲纳米线在培养皿中放置30天，所得产品为Te/TeO2纳米复合材料。将所得产物直接在扫描电镜和透射电镜下观察，如图1所示，在单晶碲纳米线表面可以发现大量直径在10～20nm的颗粒生成。图2的XPS分析表明单晶碲纳米线表面大量的纳米颗粒为TeO2。图3中的插图为到目前为止报道出塞贝克系数比较高的两种材料的数据，与我们所得产品的数据比较可知，本例的试样的塞贝克系数有显著的提高，在625K时，其绝对值达到最大值81mVK-1，迄今为止是最高的值。
实施例2
(1)将12.5mL乙二醇溶液倒入25mL的聚四氟乙烯内衬中，置于磁力搅拌器的正中间位置。将0.041g醋酸钠，0.056g亚碲酸钠和0.2g PVP依次加入聚四氟乙烯内衬中，在室温下进行磁力，待混合均匀后，封闭高压反应釜后放入恒温烘箱内。
(2)上述恒温烘箱，以15℃/min的升温速度从室温升到180℃，在180℃恒温6h，随后自然冷却到室温，即得到均匀的单晶碲纳米线。
(3)完成步骤(2)后，将单晶碲纳米线在培养皿中放置20天，所得产品为Te/TeO2纳米复合材料。
实施例3
(1)将12.5mL乙二醇溶液倒入25mL的聚四氟乙烯内衬中，置于磁力搅拌器的正中间位置。将0.041g醋酸钠，0.056g亚碲酸钠和0.2g PVP依次加入聚四氟乙烯内衬中，在室温下进行磁力搅拌，待混合均匀后，封闭高压反应釜后放入恒温烘箱内。
(2)上述恒温烘箱，以15℃/min的升温速度从室温升到160℃，在160℃恒温10h，随后自然冷却到室温，即得到均匀的单晶碲纳米线。
(3)完成步骤(2)后，将单晶碲纳米线在培养皿中放置25天，所得产品为Te/TeO2纳米复合材料。
实施例4
(1)将12.5mL乙二醇溶液倒入25mL的聚四氟乙烯内衬中，置于磁力搅拌器的正中间位置。将0.041g醋酸钠，0.056g亚碲酸钠和0.2g PVP依次加入聚四氟乙烯内衬中，在室温下进行磁力搅拌一段时间，待混合均匀后，封闭高压反应釜后放入恒温烘箱内。
(2)上述恒温烘箱，以30℃/min的升温速度从室温升到200℃，在200℃恒温8h，随后自然冷却到室温，即得到均匀的单晶碲纳米线。
(3)完成步骤(2)后，将单晶碲纳米线在培养皿中放置30天，所得产品为Te/TeO2纳米复合材料。
实施例5
(1)将12.5mL乙二醇溶液倒入25mL的聚四氟乙烯内衬中，置于磁力搅拌器的正中间位置。将0.041g醋酸钠，0.056g亚碲酸钠和0.2g PVP依次加入聚四氟乙烯内衬中，在室温下进行磁力搅拌，待混合均匀后，封闭高压反应釜后放入恒温烘箱内。
(2)上述恒温烘箱，以30℃/min的升温速度从室温升到200℃，在200℃恒温6h，随后自然冷却到室温，即得到均匀的单晶碲纳米线。
(3)完成步骤(2)后，将单晶碲纳米线在培养皿中放置20天，所得产品为Te/TeO2纳米复合材料。
实施例6
(1)将12.5mL乙二醇溶液倒入25mL的聚四氟乙烯内衬中，置于磁力搅拌器的正中间位置。将0.041g醋酸钠，0.056g亚碲酸钠和0.2g PVP依次加入聚四氟乙烯内衬中，在室温下进行磁力搅拌，待混合均匀后，封闭高压反应釜后放入恒温烘箱内。
(2)上述恒温烘箱，以30℃/min的升温速度从室温升到200℃，在160℃恒温10h，随后自然冷却到室温，即得到均匀的单晶碲纳米线。
(3)完成步骤(2)后，将单晶碲纳米线在培养皿中放置30天，所得产品为Te/TeO2纳米复合材料。

Claims (10)

1.一种溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法，其特征在于它的步骤为：将0.2~0.5mmol质量分数97.0%~99.9%的前躯体粉末、0.2~0.5mmol醋酸钠和0.1~0.4gPVP加入到10~20ml乙二醇溶液中，混合溶液在室温下进行磁力搅拌，待混合均匀后，将该混合液倒入反应釜内衬中，封闭反应釜后放入恒温烘箱内，恒温烘箱以固定的升温速度从室温升到反应温度，在恒定反应温度下反应，反应结束关闭烘箱，让反应釜自然环境下冷却到室温，将生成的沉淀样品分别用去离子水和无水乙醇洗涤，得到的产物为单晶碲纳米材料，将制得的单晶碲纳米材料在培养皿中恒温条件下放置数天后，即可收集到碲/氧化碲纳米复合材料。
2.如权利要求1所述的溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法，其特征在于所述的前躯体粉末为亚碲酸钠。
3.如权利要求1所述的溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法，其特征在于所述的单晶碲纳米材料为碲纳米线。
4.如权利要求1所述的溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法，其特征在于所述的培养皿中放置时间为20~30天。
5.如权利要求1所述的溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法，其特征在于所述的培养皿中恒定温度为50~80℃。
6.如权利要求1所述的溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法，其特征在于所述的恒温烘箱中的升温速度为15℃/min。
7.如权利要求1所述的溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法，其特征在于所述的恒温烘箱中的反应温度为160~200℃。
8.如权利要求1所述的溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法，其特征在于所述的恒温烘箱中的反应时间为6~10h。
9.如权利要求1所述的溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法，其特征在于所述的反应釜内衬为四氟乙烯反应釜内衬。
10.如权利要求1所述的溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法，其特征在于所述的碲/氧化碲纳米复合材料的单根纳米复合材料的塞贝克系数高达81 mV·K-1。
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