CN109336164A - 一种低压诱导室温快速合成Cu2S基热电材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明首次开发了一种低压诱导室温快速合成Cu₂S基热电材料的方法，它以Cu粉和S粉为原料，在室温、真空条件下进行简单摇匀反应，即在短时间内合成Cu₂S化合物。本发明在室温下即可实现Cu₂S基材料的快速制备，涉及的反应条件极其温和，可有效避免高温条件下的S挥发问题，易于精确控制产物组成，尤其在Cu微量缺失的条件下，可快速得到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材料的制备和大规模应用奠定良好的基础。

Description

一种低压诱导室温快速合成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，具体涉及一种低压诱导室温快速合成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，它为典型的“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，目标产物中通常伴随副产物难以清洗干净等问题。因此，进一步寻求简便节能、绿色环保、能够在室温下快速合成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低压诱导室温快速合成Cu₂S基热电材料的方法，涉及的工艺超简单、制备时间超短，为Cu₂S基热电材料的制备和大规模应用奠定了良好的基础。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种低压诱导室温快速合成Cu₂S基热电材料的方法，它以Cu粉和S粉为原料，在室温、真空条件下，将原料进行摇匀反应，得Cu₂S化合物。

上述方案中，所述Cu粉和S粉的摩尔比为2(1+x):1，其中-0.1≤x≤0.05。

优选的，所述x的取值范围为-0.1≤x＜0。

更优选的，所述x的取值范围为-0.03≤x＜0。

上述方案中，所述真空条件采用的真空度为-0.09MPa以下。

上述方案中，所述摇匀反应步骤采用手动摇匀或采用摇匀器；反应时间为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。

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低压诱导室温快速合成Cu₂S基热电材料的方法，在室温和真空条件下进行简单摇匀反应，即可在短时间内得到Cu₂S化合物。

2)本发明结合真空低压条件和Cu微量缺失手段，即铜硫比为2(1+x):1(x＜0)组分，可在室温条件下快速得到单相的Cu₂S化合物，为高纯度Cu₂S化合物的制备提供一条全新思路。

3)本发明在室温下即可实现Cu₂S基材料的快速制备，反应条件极其温和，可有效避免高温条件下的S挥发问题，易于精确控制产物组成，操作方便，适合推广应用。

附图说明

图1为对比例1所得产物的XRD图谱。

图2为实施例1所得产物的XRD图谱。

图3为实施例2所得产物的XRD图谱。

图4为实施例3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。

将本对比例所得产物进行XRD分析，结果见图1；图中所得主相为Cu与S单质，同时存在极少量Cu_1.8S中间产物，表明在室温下采用简单摇匀手段并按照2:1的化学计量比，不能制备得到Cu₂S化合物。

实施例1

一种低压诱导室温快速合成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，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，整个混匀装置置于可抽真空的腔体中，真空度为-0.09MPa，设置混匀频率为900rpm，时间为3min，取出粉料，即得反应产物。

将本实施例所得产物进行XRD分析，结果见图2；图中所得主相为Cu₂S化合物，同时含有一定Cu单质，表明在真空条件下室温简单摇匀Cu与S化学计量(2:1)混合粉体即能快速合成Cu₂S化合物。

实施例2

一种低压诱导室温快速合成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％、3％、5％)进行称量，分别共计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，整个混匀装置置于可抽真空的腔体中，真空度为-0.1MPa，设置混匀频率为3000rpm，时间为3min，取出粉料，即得反应产物。

将本实施例所得产物进行XRD分析，结果见图3；图中说明生成了大量Cu₂S化合物，同时含有少量Cu单质，表明在真空条件下室温简单摇匀Cu与S混合粉体(Cu微量过量)即能快速合成Cu₂S化合物。

实施例3

一种低压诱导室温快速合成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％、-3％)进行称量，分别共计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，整个混匀装置置于可抽真空的腔体中，真空度为-0.1MPa，设置混匀频率为1500rpm，时间为4min，取出粉料，即得反应产物。

将本实施例所得产物进行XRD分析，结果见图4；图中表明所得产物为Cu₂S化合物单相，说明在真空条件下室温简单摇匀Cu与S混合粉体(Cu稍缺失)即能制备得到Cu₂S单相化合物。

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 (7)

1.一种低压诱导室温快速合成Cu₂S基热电材料的方法，它以Cu粉和S粉为原料，在室温、真空条件下，将原料进行摇匀反应，得Cu₂S化合物。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Cu粉和S粉的摩尔比为2(1+x):1，其中-0.1≤x≤0.05。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述x的取值范围为-0.1≤x＜0。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述x的取值范围为-0.03≤x＜0。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述真空条件采用的真空度为-0.09MPa以下。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摇匀反应步骤采用手动摇匀或采用摇匀器。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摇匀反应时间为3min以上。