CN109279641A - 一种自催化室温快速合成Cu2S基热电材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明首次开发了一种自催化室温快速合成Cu₂S基热电材料的方法，它以Cu粉和S粉为原料，利用过量Cu的自催化作用，使得按化学计量比Cu_2(1+x)S(x＞0)混合后的粉体在室温条件下进行简单摇匀反应得到Cu₂S单相化合物。本发明涉及的原料价格低廉，工艺超简单、制备时间超短，可为Cu₂S热电材料的制备和大规模应用奠定良好的基础。

Description

一种自催化室温快速合成Cu2S基热电材料的方法

技术领域

本发明属于材料制备科学领域，具体涉及一种自催化室温快速合成Cu₂S基热电材料的方法。

背景技术

热电转换技术利用热电材料直接将热能与电能进行相互转换，具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、适用温度范围广、有效利用低密度能量等特点，在工业余废热和汽车尾气废热的回收利用、高精度温控和特种电源技术等领域具有广泛的应用。热电材料的转换效率由无量纲热电优值ZT(ZT＝α²σT/κ，其中α为Seebeck系数、σ为电导率、κ为热导率、T为绝对温度)决定。ZT越大，材料的热电转换效率越高。目前研究较多的高性能热电材料一般是Te基的，如PbTe和Bi₂Te₃。Te元素在地球中的储量稀少、价格昂贵，同时它也是太阳能电池的主要组成元素，这些因素都极大地制约着Te基热电材料的大规模商业化应用和可持续性发展。因此开发储量丰富、价格低廉的高性能热电材料及寻求低成本超快速的制备方法具有重要意义。

近年来Cu₂S化合物以其优异的热电性能受到研究者的广泛关注，因为其是典型的“声子液体”，表现出的横波阻尼效应使得其具有极低的晶格热导率。同时，由于Cu和S的来源丰富、价格便宜，使得Cu₂S化合物在大规模商业化生产上具有巨大潜力。目前Cu₂S化合物主要采用长时间固相反应法、熔融退火法及自蔓延燃烧合成技术制备得到，高温处理会带来一个始终无法解决的问题是S的挥发，造成成分的难以控制。而采用低温化学法制备技术，采用的原料通常有毒，对环境造成污染，与此同时，目标产物中常常伴随有副产物难以清洗干净。因此，寻求一种简便节能、绿色环保，能够在室温下合成Cu₂S化合物的技术显得意义重大。

发明内容

本发明的目的是提供一种自催化室温快速合成Cu₂S基热电材料的方法，涉及的工艺超简单、制备时间超短，可为Cu₂S基热电材料的制备和大规模应用奠定良好的基础。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种自催化室温快速合成Cu₂S基热电材料的方法，它以S粉和过量Cu粉为原料，在室温条件下进行摇匀反应得到Cu₂S化合物。

上述方案中，所述S粉和Cu粉的摩尔比为1:2(1+x)，其中0＜x≤0.1。

上述方案中，所述S粉与Cu粉需混合均匀。

上述方案中，所述混匀步骤采用手动摇匀或采用摇匀器。

上述方案中，所述原料混匀时间为3min以上。

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。

本发明首次提出利用过量Cu自诱导其与S在室温下发生化学反应，生成Cu₂S化合物，只要Cu与S原料混合均匀，反应则进行完全。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明首次提出了一种自催化室温快速合成Cu₂S基热电材料的方法，以Cu为自催化剂，在过量Cu的作用下，促进其与S化学反应在室温条件下快速完成，制备得到Cu₂S基化合物。

2)本发明在室温条件下即可实现Cu₂S基材料的快速制备，以S粉和过量Cu粉为原料室温下短时间内摇匀即可合成Cu₂S单相化合物，且合成过程中原料之间无需辅助外部热量或机械力，可有效避免现有热处理或机械力合成工艺中容易造成原料体系局部温度较高难以精确控制成分(S挥发等)及载流子浓度等问题，有利于进一步提升所得Cu₂S基材料的热电性能。

附图说明

图1为对比例步骤2)所得产物的XRD图谱。

图2为实施例1和实施例2步骤2)所得产物的XRD图谱。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中，采用的Cu粉及S粉均为市售产品，粒度均为200目，纯度均为5N。

对比例1

采用室温摇匀技术并按照Cu₂S化学计量比(Cu与S的摩尔比为2:1)称取原料尝试制备Cu₂S化合物，具体步骤如下：

1)以Cu粉和S粉为原料，将Cu粉和S粉按化学计量比2:1进行称量，共计5.5g；

2)将称取的原料置于试管中，然后置于SK-1型快速混匀器中，设置混匀频率为3000rpm，时间为20min，取出粉料，即得反应产物。

将本对比例所得反应产物进行XRD分析(见图1)，结果表明所得主相为Cu与S单质，同时存在极少量Cu_1.8S中间产物，表明在室温条件下将Cu与S化学计量(2:1)的混合粉体进行简单摇匀并不能制备得到Cu₂S化合物。

实施例1

一种自催化室温快速合成Cu₂S基热电材料的方法，包括如下步骤：

1)以Cu粉和S粉为原料，按化学计量比Cu_2(1+x)S(x＝0.5％)进行称量，共计5.5g；

2)将称取的原料置于试管中，然后置于SK-1型快速混匀器中，设置混匀频率为2800rpm，时间为3min，取出粉料，即得反应产物。

将本实施例所得反应产物进行XRD分析(见图2)，所得图谱与Cu₂S标准卡片吻合，表明在室温和Cu微过量的条件下，简单摇匀Cu与S混合粉体能有效制备得到Cu₂S化合物。

实施例2

一种自催化室温快速合成Cu₂S基热电材料的方法，包括如下步骤：

1)以Cu粉和S粉为原料，按化学计量比Cu_2(1+x)S(x＝1％)进行称量，共计5.5g；

2)将称取的原料置于Φ50mm试管中，再将试管开口端封住，后竖直方向上下摇动试管，频率约为60次/min，摇匀时间为18min，取出粉料，即得反应产物。

将本实施例所得反应产物进行XRD分析(见图2)，所得图谱与Cu₂S标准卡片吻合，表明在室温和Cu微过量的条件下，简单手动摇匀Cu与S混合粉体即可有效制备得到Cu₂S化合物。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种自催化室温快速合成Cu₂S基热电材料的方法，它以S粉和过量Cu粉为原料，在室温条件下混匀即可得到Cu₂S化合物。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S粉和Cu粉的摩尔比为1:2(1+x)，其中0＜x≤0.1。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原料S粉和Cu粉采用手动摇匀或采用摇匀器的方式混合均匀。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原料混匀时间为3min以上。