PbTe基多元复合热电材料的水热法制备及其性能研究

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随着化石能源的日渐枯竭和工业大发展带来的环境问题,使得能源与环境问题愈来愈严重和紧迫。因此可再生的清洁能源如水电、风电和太阳能受到关注,相关的研究也日新月异;另外,工业和人类日常活动所产生的大量废热的二次利用也得到越来越多的关注。热电材料具有这样一种特性:温差(热能)或电势(电能)作用于此类材料,引起其内部载流子变化,使得上述两种能量之间可以相互转化。其上述两种特性对废热的二次利用和降低传统制冷过程中氟利昂的排放有着先天的优越性。但目前热电材料的转换效率低、生产成本高成了制约其发展的不利因素。碲化铅作为目前公认的中温区最好的热电材料,科学工作者对其的研究从未间断过。本课题选择碲化铅为研究对象,采用相对经济和可大规模生产的水热法/溶剂热法为制备方法,并通过Ag和S的加入制备碲化铅基多元复合材料,以提高碲化铅基材料的热电性能。形貌和晶体结构对PbTe热电性能有很大影响,采用水热法制备漏斗状PbTe二元材料,并探讨表面活性剂和温度对其形貌结构的影响,最终确定反应温度为160℃。采用水热法-溶剂热两步法制备PbTe-Pb S粉体材料,粉体材料中S的掺入采用取代法,并通过改变还原剂浓度(硫代乙酰胺的量)制备出不同成分(S含量)的PbTe-Pb S粉体材料。块体PbTe二元材料、不同成分的PbTe S复合材料的制备采用冷压-退火的工艺,通过对比不同退火温度得到块体材料的状态确定最佳退火温度为390℃。制备出的块体材料,退火后的电导率明显高于退火前;退火前电导率的最高值为PbTe二元材料的1.208 S/cm,退火后的最高值为硫源投料比2:1的PbTe S复合材料的23.942 S/cm;退火后的PbTe S复合材料的电导率均高于PbTe二元材料。复合材料的热导率在测试温度范围内均低于PbTe,投料比为1:2的PbTe S复合材料在整个温度范围内均较低,投料比为1:1的复合材料在420 K时得到最低热导率为0.9013 W/m·K。水热和溶剂热两步法制备Ag掺杂的PbTe-Pb S复合材料,探讨了碱浓度和反应物浓度对掺杂的影响,确定最佳碱浓度为4 mol/L,最佳反应物浓度为0.167mol/L,并制备了不同银含量的Ag PbTe S复合粉体材料。制备的Ag PbTe S粉体材料经冷压退火得到块体材料。投料比为x=0.04时制备的复合块体材料的电导率在660 K时取得最大值39.54 S/cm,在室温下取得最大的塞贝克系数绝对值为400μV·K-1,在480 K时取得最大功率因子值为30.45×10-5 W·m-1·K-2,在480 K时取得最大热电优值0.368。
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