CN116813347A - 一种碲化铋复合材料及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碲化铋复合材料，其原料包括：碲化铋纳米片、纳米氧化锌和石墨。本发明还公开了上述碲化铋复合材料的制备方法，包括如下步骤：将碲化铋纳米片、纳米氧化锌和石墨在水中均匀分散，然后急速凝固，再冷冻干燥，真空热压烧结得到碲化铋复合材料。本发明还公开了上述碲化铋复合材料在热电材料中的应用。本发明所述碲化铋复合材料的热电优值高，具有良好的热电性能。
Description
技术领域
本发明涉及热电材料技术领域，尤其涉及一种碲化铋复合材料及其制备方法、应用。
背景技术
热电材料作为可以实现热能与电能直接转换的功能材料，利用其塞贝克效应和帕尔贴效应能够组成热电发电器件以及热电制冷器件。与传统的制冷以及发电器件不同，热电器件不存在水循环和转子等运动装置，有使用寿命长、体积小、无噪声等优点，被广泛应用于深空潜航、太阳能发电、废热回收、热电冰箱、微型制冷器、热电传感器等领域。
随着研究的不断深入，学者们开发出越来越多的热电材料，如Bi2Te3、SrAl2Ge2、Ba8Ga16Ge30等。为区分热电材料性能的优劣，目前学术界采用热电优值(ZT值)来衡量材料的热电性能：ZT＝σα2T/κ，ZT值越大表明材料的热电性能越优秀.其中σ是材料的电导率，α是材料的塞贝克系数，κ是材料的热导率。从公式可以看出，一个好的热电材料不仅需要具备高的电导率使材料有高的转化效率，还要具备低的热导率使材料能够保持一定的温度梯度。
Bi2Te3热电材料是目前研究应用最为成熟的材料体系之一，也是近室温区热电性能最好的一种材料。但是其热电性能仍然不是太高，需要进一步提高其热电性能。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种碲化铋复合材料及其制备方法、应用；本发明所述碲化铋复合材料的热电优值高，具有良好的热电性能。
本发明提出了一种碲化铋复合材料，其原料包括：碲化铋纳米片、纳米氧化锌和石墨。
优选地，碲化铋复合材料中，石墨的含量为0.8-1.2wt％。
优选地，碲化铋复合材料中，纳米氧化锌的含量为2-2.5wt％。
本发明还提出了上述碲化铋复合材料的制备方法，包括如下步骤：将碲化铋纳米片、纳米氧化锌和石墨在水中均匀分散，然后急速凝固，再冷冻干燥，真空热压烧结得到碲化铋复合材料。
本发明在碲化铋纳米片加入适量的纳米氧化锌和石墨，并经特定的制备方法，使得纳米氧化锌、石墨与碲化铋纳米片均匀分散；石墨特殊的层状结构，可以与具有层状结构的碲化铋纳米片相互配合，阻止声子在复合材料内部传播，降低声子的传播速度，从而降低复合材料的导热率；且具有层状结构的碲化铋纳米片和层状结构的石墨相配合，可以减少载流子的散射，并且纳米氧化锌具有良好的导电性，均匀分散在复合材料中，与碲化铋纳米片和石墨相互配合，可以进一步减少载流子的散射，提高电导率，从而提高复合材料的热电优值，提高热电性能。
优选地，用液氮进行急速凝固。
优选地，冷冻干燥的时间为24-48h。
优选地，热压的温度为400-450℃，时间为30-40min。
优选地，在碲化铋纳米片的制备过程中，取碲源、铋源、表面活性剂、无机碱和水混匀，加入还原剂，进行反应得到碲化铋纳米片。
优选地，碲源为单质碲。
优选地，铋源为氯化铋。
优选地，无机碱为氢氧化钠。
优选地，还原剂为硼氢化钠。
优选地，表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮。
优选地，铋元素、无机碱的摩尔比为1:4-6。
优选地，铋元素、还原剂的摩尔比为1:2-3。
优选地，铋元素、表面活性剂的比值为1mol:10-15g。
优选地，反应的温度为165-175℃，时间为8-10h。
优选地，进行反应后，固液分离，洗涤，干燥得到碲化铋纳米片。
本发明选用合适的碲源、铋源、无机碱和表面活性剂，并结合适宜的配比和反应条件，可以制得具有层状结构的碲化铋纳米片，可以提高碲化铋的塞贝克系数和电导率，降低热导率，从而提高碲化铋热电优值。
上述水均为去离子水。
本发明还提出了上述碲化铋复合材料在热电材料中的应用。
有益效果：
1.本发明选用合适的方法制得具有层状结构的碲化铋纳米片，可以提高碲化铋的塞贝克系数和电导率，降低热导率，从而提高碲化铋热电优值；
2.具有层状结构的碲化铋纳米片与适量的纳米氧化锌和石墨相配合，经特定的方法，使得纳米氧化锌、石墨与碲化铋纳米片均匀分散；石墨特殊的层状结构，可以与具有层状结构的碲化铋纳米片相互配合，阻止声子在复合材料内部传播，降低声子的传播速度，从而降低复合材料的导热率；且具有层状结构的碲化铋纳米片和层状结构的石墨相配合，可以减少载流子的散射，并且纳米氧化锌具有良好的导电性，均匀分散在复合材料中，与碲化铋纳米片和石墨相互配合，可以进一步减少载流子的散射，提高电导率，从而提高复合材料的热电优值，提高热电性能。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种碲化铋复合材料，其原料包括：碲化铋纳米片、纳米氧化锌和石墨，其中，石墨的含量为0.8wt％，纳米氧化锌的含量为2.5wt％。
上述碲化铋复合材料的制备方法，包括如下步骤：
取0.015mol碲粉、0.01mol氯化铋加入200ml去离子水中混匀，然后加入0.1g聚乙烯吡咯烷酮、0.06mol氢氧化钠混匀，加入0.02mol硼氢化钠混匀，于175℃反应8h，过滤，依次用去离子水、乙醇、丙酮洗涤滤饼，然后于100℃真空干燥8h得到具有层状结构的碲化铋纳米片；
分别将碲化铋纳米片、纳米氧化锌和石墨加入去离子水中，超声分散均匀；然后将三者的水分散液混合，超声并搅拌40min，然后立即用液氮进行急速凝固使得三者保持均匀分散的状态，再于-20℃冷冻干燥48h，然后于400℃真空热压烧结40min得到碲化铋复合材料。
实施例2
一种碲化铋复合材料，其原料包括：碲化铋纳米片、纳米氧化锌和石墨，其中，石墨的含量为1.2wt％，纳米氧化锌的含量为2wt％。
上述碲化铋复合材料的制备方法，包括如下步骤：
取0.015mol碲粉、0.01mol氯化铋加入200ml去离子水中混匀，然后加入0.15g聚乙烯吡咯烷酮、0.04mol氢氧化钠混匀，加入0.03mol硼氢化钠混匀，于165℃反应10h，过滤，依次用去离子水、乙醇、丙酮洗涤滤饼，然后于100℃真空干燥8h得到具有层状结构的碲化铋纳米片；
分别将碲化铋纳米片、纳米氧化锌和石墨加入去离子水中，超声分散均匀；然后将三者的水分散液混合，超声并搅拌40min，然后立即用液氮进行急速凝固使得三者保持均匀分散的状态，再于-20℃冷冻干燥24h，然后于450℃真空热压烧结30min得到碲化铋复合材料。
实施例3
一种碲化铋复合材料，其原料包括：碲化铋纳米片、纳米氧化锌和石墨，其中，石墨的含量为1wt％，纳米氧化锌的含量为2.2wt％。
上述碲化铋复合材料的制备方法，包括如下步骤：
取0.015mol碲粉、0.01mol氯化铋加入200ml去离子水中混匀，然后加入0.12g聚乙烯吡咯烷酮、0.05mol氢氧化钠混匀，加入0.025mol硼氢化钠混匀，于170℃反应9h，过滤，依次用去离子水、乙醇、丙酮洗涤滤饼，然后于100℃真空干燥8h得到具有层状结构的碲化铋纳米片；
分别将碲化铋纳米片、纳米氧化锌和石墨加入去离子水中，超声分散均匀；然后将三者的水分散液混合，超声并搅拌40min，然后立即用液氮进行急速凝固使得三者保持均匀分散的状态，再于-20℃冷冻干燥36h，然后于425℃真空热压烧结35min得到碲化铋复合材料。
对比例1
按照实施例3的方法制备层状结构的碲化铋纳米片。
对比例2
不含纳米氧化锌，其他同实施例3。
对比例3
不含石墨，其他同实施例3。
对比例4
石墨的含量为2wt％，纳米氧化锌的含量为3wt％，其他同实施例3。
对比例5
石墨的含量为0.5wt％，纳米氧化锌的含量为1.5wt％，其他同实施例3。
对比例6
市售碲化铋颗粒，于425℃真空热压烧结35min得到碲化铋材料。
取实施例1-3和对比例1-6的产品，检测其热电优值，结果如表1所示。
表1检测结果
| 分组 | 450K时热电优值 |
| 实施例1 | 1.18 |
| 实施例2 | 1.15 |
| 实施例3 | 1.21 |
| 对比例1 | 0.68 |
| 对比例2 | 0.75 |
| 对比例3 | 0.81 |
| 对比例4 | 0.72 |
| 对比例5 | 0.90 |
| 对比例6 | 0.54 |
由表1可以看出，本发明所述碲化铋复合材料的热电优值高，具有良好的热电性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碲化铋复合材料，其特征在于，其原料包括：碲化铋纳米片、纳米氧化锌和石墨。
2.根据权利要求1所述碲化铋复合材料，其特征在于，碲化铋复合材料中，石墨的含量为0.8-1.2wt％。
3.根据权利要求1所述碲化铋复合材料，其特征在于，碲化铋复合材料中，纳米氧化锌的含量为2-2.5wt％。
4.一种如权利要求1-3任一项所述碲化铋复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将碲化铋纳米片、纳米氧化锌和石墨在水中均匀分散，然后急速凝固，再冷冻干燥，真空热压烧结得到碲化铋复合材料。
5.根据权利要求4所述碲化铋复合材料的制备方法，其特征在于，用液氮进行急速凝固；优选地，冷冻干燥的时间为24-48h；优选地，热压的温度为400-450℃，时间为30-40min。
6.根据权利要求4或5所述碲化铋复合材料的制备方法，其特征在于，在碲化铋纳米片的制备过程中，取碲源、铋源、表面活性剂、无机碱和水混匀，加入还原剂，进行反应得到碲化铋纳米片。
7.根据权利要求4-6任一项所述碲化铋复合材料的制备方法，其特征在于，碲源为单质碲；优选地，铋源为氯化铋；优选地，无机碱为氢氧化钠；优选地，还原剂为硼氢化钠；优选地，表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮。
8.根据权利要求4-7任一项所述碲化铋复合材料的制备方法，其特征在于，铋元素、无机碱的摩尔比为1:4-6；优选地，铋元素、还原剂的摩尔比为1:2-3；优选地，铋元素、表面活性剂的比值为1mol:10-15g。
9.根据权利要求4-8任一项所述碲化铋复合材料的制备方法，其特征在于，反应的温度为165-175℃，时间为8-10h；优选地，进行反应后，固液分离，洗涤，干燥得到碲化铋纳米片。
10.一种如权利要求1-3任一项所述碲化铋复合材料在热电材料中的应用。
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