CN113666416A - 一种圆饼状Bi2S3热电材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于纳米材料制备领域，特别是一种圆饼状Bi2S3热电材料及其制备方法，所述Bi2S3热电材料采用铋源和硫源，所述Bi2S3热电材料的制备方法：(1)将表面活性剂、一定质量的铋源和硫源加入装有乙二醇溶剂的回流反应容器中，室温下磁力搅拌至分散均匀；(2)一步回流法制备得到Bi2S3纳米材料：将(1)中回流反应容器加热至设定温度，反应一定时间后得到的黑色混浊物；(3)将(2)中得到的黑色混浊物使用真空泵抽滤分离，抽滤过程中用去离子水和无水乙醇进行多次洗涤，最后放入烘箱中干燥，得到圆饼状Bi2S3热电材料。制备得到Bi2S3纳米材料呈现圆饼形状，尺寸均一，分散性良好，将有利于降低材料的热导率，提高材料的热电性能。

Description

一种圆饼状Bi2S3热电材料及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备领域，特别是一种圆饼状Bi2S3热电材料及其制备方法。
背景技术
Bi2S3是铋辉矿的主要成分，属斜方晶系，是一种重要的V-VI族半导体化合物；并且Bi2S3属于间接间隙半导体，禁带宽度为1.3eV，是一种潜在的热电材料。室温时，其Seebeck系数大于500μV/K而热导率仅为0.8Wm-1K-1，特别是其晶格热导率明显低于PbS，SnS,CoSbS以及其他一些硫化物。然而低的电导率限制其热电优值的提升，原始Bi2S3的热电优值仅为0.1。
近些年来，围绕改善Bi2S3热电性能开展了许多研究。研究者合成了Bi2S3@Bi结构，由于具有高电导率金属Bi分布于Bi2S3@Bi材料晶界从而提升了Bi2S3电导率。此外，研究者利用Bi2S3纳米棒复合Bi2S3块体材料，一方面提升电输运性能，另一方面降低热导率。研究者还通过球磨法细化Bi2S3晶粒，从而降低材料的热导率，最终在573K时，热电优值达到了0.33。因此对于Bi2S3的形貌结构优化，将有助于降低材料热导率。
发明内容
为进一步降低Bi2S3的热导率，提高Bi2S3材料的热电性能，本发明通过构建圆饼状纳米Bi2S3热电材料，其尺寸均一，分散性良好，有助于降低其热导率，提升热电效率。
为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案是：
一种圆饼状Bi2S3热电材料及其制备方法，其特征在于：所述Bi2S3热电材料采用铋源和硫源，所述Bi2S3热电材料的制备方法如下：
(1)将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入乙二醇溶液中磁力搅拌至溶液澄清透明，再将铋源、硫源和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)加入装有乙二醇溶液的回流装反应容器中，室温下磁力搅拌至充分溶解，再加入搅拌均匀的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，继续搅拌至混合均匀；
(2)一步回流法制备得到Bi2S3纳米材料：将(1)中回流反应容器加热至设定温度，反应一定时间后得到的黑色混浊物；
(3)将(2)中得到的黑色混浊物使用真空泵抽滤分离，抽滤过程中用去离子水和无水乙醇进行多次洗涤，最后放入烘箱中干燥，得到圆饼状Bi2S3热电材料。
作为优选，所述铋源采用柠檬酸铋、柠檬酸铋铵、乙酸铋中的一种。
作为优选，所述硫源采用1.3-二甲基硫脲、N-甲硫脲、氨基硫脲、四甲基硫脲、1.3-二乙基硫脲、硫脲中的一种。
作为优选，所述硫源和铋源中硫和铋的摩尔比为3:2。
作为优选，铋源分散到乙二醇溶液中，其摩尔浓度为0.01-0.5mol/L。
作为优选，所述CTAB和PVP的质量比为1:1～8。
作为优选，所述设定温度为130-160℃，所述一定时间为90-180min。
作为优选，烘箱中干燥温度控制在60℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明先将PVP分散再乙二醇溶液中，再加入分散好铋源、硫源和CTAB的混合溶液中，与PVP与CTAB同时加入相比，其分散效果更好，减少分散剂与主原料的竞争作用，很好的达到协同分散作用，使得到的Bi2S3尺寸均匀，分散性；
(2)通过控制制备过程工艺参数，得到可调控圆饼状Bi2S3热电材料，该结构能很好的减低Bi2S3材料的热导率，提高材料的热电性能。
(3)反应采用简易的回流装置，操作简单，反应时间短，产量稳定，纯度高，得到的纳米材料形貌结构可控，便于大规模生产。
附图说明
图1是本发明中实施例1得到的圆饼状Bi2S3热电材料的扫描电子显微镜图片。
图2是本发明中实施例1得到的圆饼状Bi2S3热电材料的扫描电子显微镜放大的图片。
图3是本发明中实施例1得到的大面积圆饼状Bi2S3热电材料的扫描电子显微镜图片。
图4是本发明中实施例1得到的圆饼状Bi2S3热电材料的X射线电子衍射图谱。
图5是本发明中实施例2得到的圆饼状Bi2S3热电材料的扫描电子显微镜图片。
图6是本发明中实施例2得到的圆饼状Bi2S3热电材料的扫描电子显微镜放大的图片。
图7是本发明中实施例3得到的圆饼状Bi2S3热电材料的扫描电子显微镜图片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。
实施例1
先将0.1g PVP加入5ml的乙二醇溶液中磁力搅拌至溶液澄清透明，然后取2mmol柠檬酸铋、3mmol硫脲和0.05g CTAB加入15mL乙二醇溶液中，室温下磁力搅拌至充分溶解，加入搅拌均匀的PVP溶液，继续搅拌至混合均匀，将混合溶液置于160℃油浴中回流反应120min，反应结束后得到的黑色混浊物使用真空泵进行抽滤分离，抽滤过程中用去离子水和无水乙醇交替洗涤多次，最后将目标产物放入真空干燥箱中60℃干燥后进行收集。将制备得到的Bi2S3热电材料进行扫描电镜表征如图1所示，得到分散均匀的圆饼状Bi2S3纳米材料，其直径约为500nm。厚度约为80nm，从图2的单颗粒的Bi2S3纳米材料的扫描电镜图中可以看到，Bi2S3纳米材料表面粗糙，由大量的Bi2S3纳米晶堆积成圆饼形状。图3展示了大面积的Bi2S3纳米颗粒仍保持良好的均匀性和分散性。为确定材料的晶体结构，对其进行X射线电子衍射图谱的表征，如图4所示，图谱的峰位与Bi2S3的特征衍射峰相对应，匹配JCPDS No.17-0320，且无杂质峰出现，证明所得样品为较纯的(正交)斜方晶相Bi2S3。
实施例2
先将0.1g PVP加入5ml的乙二醇溶液中磁力搅拌至溶液澄清透明，然后取2mmol柠檬酸铋、3mmol硫脲和0.1gCTAB加入15mL乙二醇溶液中，室温下磁力搅拌至充分溶解，加入搅拌均匀的PVP溶液，继续搅拌至混合均匀，将混合溶液置于160℃油浴中回流反应120min，反应结束后得到的黑色混浊物使用真空泵进行抽滤分离，抽滤过程中用去离子水和无水乙醇交替洗涤多次，最后将目标产物放入真空干燥箱中60℃干燥后进行收集。将制备得到的Bi2S3热电材料进行扫描电镜表征如图5所示，得到分散均匀的圆饼状Bi2S3纳米材料，其厚度有点降低，形状不规则度增加，分散性变差。其放大的扫描电镜图如图6所示，Bi2S3纳米材料表面粗糙度增大，Bi2S3纳米晶较实施例1大，形状多为薄片状。
实施例3
先将0.1g PVP加入5ml的乙二醇溶液中磁力搅拌至溶液澄清透明，取2mmol乙酸铋、3mmol四甲基硫脲和0.1gCTAB加入15mL乙二醇溶液中，室温下磁力搅拌至充分溶解，加入搅拌均匀的PVP溶液，继续搅拌至混合均匀，将混合溶液置于160℃油浴中回流反应120min，反应结束后得到的黑色混浊物使用真空泵进行抽滤分离，抽滤过程中用去离子水和无水乙醇交替洗涤多次，最后将目标产物放入真空干燥箱中60℃干燥后进行收集。将制备得到的Bi2S3热电材料进行扫描电镜表征如图7所示。

Claims (8)

1.一种圆饼状Bi2S3热电材料及其制备方法，其特征在于：所述Bi2S3热电材料采用铋源和硫源，所述Bi2S3热电材料的制备方法如下：
(1)将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入乙二醇溶液中磁力搅拌至溶液澄清透明，再将铋源、硫源和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)加入装有乙二醇溶液的回流装反应容器中，室温下磁力搅拌至充分溶解，再加入搅拌均匀的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，继续搅拌至混合均匀；
(2)一步回流法制备得到Bi2S3纳米材料：将(1)中回流反应容器加热至设定温度，反应一定时间后得到的黑色混浊物；
(3)将(2)中得到的黑色混浊物使用真空泵抽滤分离，抽滤过程中用去离子水和无水乙醇进行多次洗涤，最后放入烘箱中干燥，得到圆饼状Bi2S3热电材料。
2.如权利要求1所述一种圆饼状Bi2S3热电材料及其制备方法，其特征在于：所述铋源采用柠檬酸铋、柠檬酸铋铵、乙酸铋中的一种。
3.如权利要求1所述一种圆饼状Bi2S3热电材料及其制备方法，其特征在于：所述硫源采用1.3-二甲基硫脲、N-甲硫脲、氨基硫脲、四甲基硫脲、1.3-二乙基硫脲、硫脲中的一种。
4.如权利要求1－3任意一项所述一种圆饼状Bi2S3热电材料及其制备方法，其特征在于：所述硫源和铋源中硫和铋的摩尔比为3:2。
5.如权利要求4所述一种圆饼状Bi2S3热电材料及其制备方法，其特征在于：铋源分散到乙二醇溶液中，其摩尔浓度为0.01-0.5mol/L。
6.如权利要求1所述一种圆饼状Bi2S3热电材料及其制备方法，其特征在于：所述CTAB和PVP的质量比为1:1～8。
7.如权利要求1所述一种圆饼状Bi2S3热电材料及其制备方法，其特征在于：所述设定温度为130-160℃，所述一定时间为90-180min。
8.如权利要求1所述一种圆饼状Bi2S3热电材料及其制备方法，其特征在于：所述烘箱中干燥温度控制在60℃。
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吴际良: "微波法合成含铋纳米材料及其表征", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 *

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