[发明专利]一种纳米SiO2均匀包覆的Zn4Sb3粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于热电转换用新能源材料技术领域，具体涉及一种纳米SiO₂均匀包覆的Zn₄Sb₃粉体的制备方法。

背景技术

热电材料的热电转换效率取决于无量纲热电优值ZT＝α²σT/κ，T是绝对温度，α是Seebeck系数，σ是电导率，κ是热导率，κ等于晶格热导率κ_L与载流子热导率κ_C之和(κ_C＝L₀Tσ，L₀为Lorenz常数)。降低κ、增大α和σ是提高热电优值的三种途径，但κ、σ和α一般是强关联的，κ减小必伴随σ降低，α增大时σ一般会相应降低，σ增大时因κ_C升高κ必增大。如何调控κ、σ和α以实现ZT值大幅度增大一直是热电材料领域尚未有效解决的课题。

β-Zn₄Sb₃是一种p型半导体化合物，具有R3c晶体对称，每个单胞中至少存在3个无序分布的间隙Zn原子。这种无序填隙结构决定了该化合物具有非常低的热导率，室温下晶格热导率仅为0.65W·m^-1·K^-1，670K时其ZT达到1.3。目前，Zn₄Sb₃的热电性能优化研究大多是试图通过In、Cd、Mg、Pb取代Zn和(或)Te取代Sb引起晶格畸变并破坏费米能级附近能带结构，从而降低晶格热导率和提高Seebeck系数。但大量实验研究表明，掺杂Zn₄Sb₃的电热输运特性或者表现为晶格热导率和电导率同步下降、或者表现为Seebeck系数增大同时电导率下降，结果ZT值几乎不变。Tsutsui等和Kim等认为Zn₄Sb₃是一种重掺杂半导体，掺杂引起的微结构和能带结构变化很难大幅度改变载流子的输运特性，其综合热电性能受掺杂影响不明显。

近年来，越来越多的研究发现纳米结构可显著提高热电材料的ZT值。如分散于晶界和晶体内的纳米第二相对声子的散射作用和对低能电子的能量过滤作用可导致Yb_yCo₄Sb₁₂材料的ZT值大幅度增大，应力诱导纳米结构的量子效应和尺寸效应可导致Ce_0.29Fe_1.40Co_2.60Sb_11.24材料的电、热输运特性明显变化。但目前如何使纳米第二相均匀分布在块体热电材料中却是一个没有解决的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米SiO₂均匀包覆的Zn₄Sb₃粉体的制备方法，该方法具有低成本、操作简易、环境友好、能大幅度降低β-Zn₄Sb₃化合物的热导率、纳米SiO₂包覆均匀的特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种纳米SiO₂均匀包覆的Zn₄Sb₃粉体的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)熔融法制备单相β-Zn₄Sb₃粉体：

(1)按名义组成为Zn₄₁Sb₃计算高纯金属Zn粉和高纯金属Sb粉的用量并准确称量，均匀混合后密封于真空度低于10^-1MPa的真空石英管中，高纯金属Zn粉的纯度≥99.999％(质量)，高纯金属Sb粉的纯度≥99.99％(质量)；

(2)上述真空石英管置于熔融炉内，以0.5～5K/min的升温速率从室温升至1000～1100K，真空熔融2～4h，随炉冷却至室温，得到单相β-Zn₄Sb₃化合物的铸体；

(3)上述单相β-Zn₄Sb₃化合物的铸体经研磨、过筛，得到平均粒径为5～7μm的单相β-Zn₄Sb₃粉体；

2)纳米SiO₂均匀包覆的Zn₄Sb₃粉体的制备：