Bi2S3基复合热电材料的制备与性能调控

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热电材料能够实现电能和热能的相互转化,在废热发电和半导体制冷方面有广泛的应用前景。本文所研究的Bi2S3基热电材料是一种新型的热电材料,相比于传统的商用碲化铋基、碲化铅基热电材料,具有组成元素储量丰富、价格低廉、低毒等优点。但受制于较低的电导率,其热电性能还达不到替代传统高热电性能材料的标准。因而,本论文基于n型Bi2S3热电材料,分别采用机械合金法,水热合成法,离子液体法制备粉体,采用放电等离子烧结法制备多晶块体。制备了 Ag2Te纳米线/Bi2S3复合块体材料,Ni复合Bi2S3块体材料并探究不同第二相对Bi2S3热电性能的影响。为了制备Ag2Te纳米线/Bi2S3复合块体材料,论文首先探索了水热法合成Ag2Te纳米线的稳定工艺,详细研究了水热温度,保温时间对所制得的Ag2Te纳米线的物相及微观结构的影响。并将Ag2Te纳米线烧结制备了Ag2Te块体材料,表征了其热电性能。将Ag2Te纳米线于硫化铋粉体混合后采用放电等离子烧结,制备了Ag2Te纳米线/Bi2S3复合块体材料。研究结果表明,少量Ag2Te纳米线的复合能够同时提高Bi2S3热电材料的载流子浓度和迁移率,进而提升Bi2S3热电材料的热电性能。1 wt%Ag2Te纳米线复合的Bi2S3块体在623 K时获得最大值ZT值为0.12,较纯相Bi2S3块体提高近两倍。另一方面,通过离子液体法制备金属Ni复合Bi2S3热电材料,通过引入AgBi3Ss和Ni单质优化了 Bi2S3的载流子浓度和迁移率,在提高Bi2S3电导率的同时也防止了 Seebeck系数的大幅降低。同时第二相的引入也增加了对长波声子的散射,降低了 Bi2S3的热导率。最终,Ni复合Bi2S3材料在628 K时获得了最优ZT值为0.38,较纯相Bi2S3块体提升近6倍。
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