铋基硫族化合物纳米材料的可控制备及其性能研究

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发展可再生能源是我国一项既定国策,也是保证经济稳定和可持续发展的关键,以热电材料为核心的热电转换技术可不依靠任何外力将“热”与“电”两种不同形态的能量直接转换,备受科学界和工业界的广泛关注。碲化铋和硒化铋是一类非常重要的热电材料,一直受到广泛的研究。大量实验已经明该类材料的纳米化有助于提高其热电性能,因而合成碲化铋和硒化镰纳米材料成为研究关键。因此,我们的工作主要以碲化铋和硒化铋为研究对象,对其可控生长和形貌演化进行研究,探索了影响最终生成物形貌的各种因素,获得形貌规则、尺寸均匀的单晶六边形碲化铋纳米片、硒化铋纳米片、BiTe纳米管等三种纳米材料,并对他们进行了性能测试和分析。本文主要研究结果如下:1、利用溶荆热法,通过研究宏规实验条件(反应温度、NaOH浓度、表面活性剂等因素)对最终生成物形貌优化,分析了碲化铋纳米片生长机理,实现了其可控生长,获得了形貌规则、尺寸均匀、单分散性好的单晶六边形碲化铋纳米片,并对碲化铋纳米片热压块体的热电性能进行测试,其电导率σ和赛贝克系数S均优于粉体材料。2、在溶剂热法中,优化铋源,用Bi2O3代替BiCl3,实现了碲化铋纳米片可控制备,并显著缩短了反应时间(从36 h缩短到7 h),研究了纳米片形貌随反应时间的演化规律,实验发现碲化铋纳米片的形貌经历三种形态;“晷”形貌、纳米片形貌、铜钱”形貌,提出了其生长遵循自我修复的生长机制;并对纳米片热压块体的热电性能进行测试,其电导率σ和赛贝克系数S又得到了有效提升。3、采用溶剂热法,优化硒源,用SeO2代替TeO2,获得了形貌规厕、尺寸均匀、单分散性好的硒化铋纳米片,实现了其可控生长,分析了反应温度、NaOH浓度、表面活性剂等因素对最终生成物形貌优化,通过分析纳米片形貌随表面活性剂PVP的演化,阐述了硒化铋纳米片生长机理。在83-603 K范围,对单片硒化铋纳米片进行了变温拉曼散射测试,计算出A1g1,Eg2,A1g2乙模的温度系数Xi,其具有较低的温度系数,可望有效降低热导率和提高热电优值(ZT),并表明硒化铋纳米片是优良热电纳米材料。4、为了进一步提高ZT值,我们继续优化生长条件,首次成功制备了形貌规则、尺寸均匀的单晶BiTe纳米管,研究了表面活性剂因素PVP对最终生成物形貌的影响,证明了表面活性剂因素PVP在合成单晶BiTe纳米管是不可或缺的条件;在103 K-593 K范围,BiTe纳米管进行了变温拉曼散射测试,计算了Eg1,A1g1,Eg2,A1g2模的温度系数Xi,该值降低了几个数量级,这样低温系数有利于获得较高的ZT值,表明BiTe纳米管有望成为理想热电材料的候选者。
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