[发明专利]一类可用于热电材料化合物及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一类可用于热电材料的化合物及制备方法，属于热电材料领域。

背景技术

热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称。它包括：Seebeck(塞贝克)效应、Peltier(帕尔帖)效应和Thomson(汤姆逊)效应。热电材料是一种将热能和电能之间直接转换的功能材料，在热电发电和制冷、恒温控制与温度测量等领域具有极为重要的应用前景。

随着科技的发展，能源问题和环境问题成为人们越来越关心的热门话题。热电材料是一种环境友好型功能材料.利用热电材料制成的制冷和发电系统可以有效地利用电厂、汽车等放出的废热和废气直接发电，不需要媒介物质，同时不生成任何废弃物；而且还具有使用寿命长，性能稳定等优点。90年代以来，随着全球环境污染、能源危机的日益严重，以及计算机技术、航空航天技术、超导技术和微电子技术的发展，迫切需要小型、静态、固定、长寿命且安全的制冷装置，因此热电材料的研究受到普遍的关注。正在应用以及研究较为成熟的热电材料主要是金属化合物及其固溶体合金如PbTe、SiGe、CrSi、Bi2Te3及其衍生物[(1)A.Majumdar，Science，303，2004，777；(2)L.A.Kuznetson，V.L.Kuznetsov，D.M.Rowe，J.Phys.Cgem.Solids，61，2000，1269；(3)D.Y.Chung，T.Hogan，P.Brazis，Science，287，2000，1024；(4)B.Wolfing，C.Kloc，J.Teubner，Phys.Rev.Lett.，86，2001，4350；(5)L.A.Kuznetsova，V.L.Kuznetsov，D.M.Rowe，Phys.Chem.Solids，61，2000，1269.]、CoSb3[K.T.Wojciechowski，J.Tobola，J.J.Alloys Compd.，361，2003，19-27.]等，但这些热电材料具有制备条件要求较高，需在一定的气体保护下进行，不适于在高温下工作以及含有对人体有害的重金属等缺点。20世纪90年代初日本学者发现，在室温下，NaCo₂O₄具有较高的热电势[(1)Y.Terasaki，U.Sasag，K.Chinokura，Phys.Rev.B，56，1997，12685-12687；(2)T.Itoh，T.Kawata，17^th International Conference on Thermaelectrics，1998，595-597.]，同时有低的电阻率和低的晶格热导率，此类热电材料可以在氧化气氛里高温下长期工作，大多数无毒性、无环境污染，且制备简单，制样时在空气中可直接烧结，无需抽真空，成本费用低，因而备受人们的关注。目前，此类热电材料以过渡金属氧化物为典型代表。

虽然热电材料历经了一百多年的研究，但目前的热电材料仍然存在其热电转换效率较低的缺点(6％-11％)[徐桂英，热电材料的研究和发展方向，材料导报，14，2000，38-41。]。探索和开发新型高效的热电材料具有重大的现实意义，其紧迫性可见一斑。

发明内容

本发明目的在于提供一类可用于热电材料的化合物及其制备方法，所提供的一类可用于热电材料的化合物通式为A₂BCQ₄，式中A＝Cu、Ag或Au；B＝Zn、Cd、Hg、Fe、Ni和Pd等2价离子中的任一种或B、Al、Ga和In等3价离子中的任一种；C＝Si、Ge、Sn和Pb等4价离子中的任一种或为B、Al、Ga和In等3价离子中的任一种；Q＝S、Se和Te中的任一种或为N、P、As和Sb中的任一种。

本发明的设计构思是：

(1)利用A₂BCQ₄属于四方晶系，A、B、C分别与Q形成四面体配位，类似于金刚石网络结构，使得材料晶格热导降低(如Cu₂CdSnSe₄在200℃下的热导率低达1.5Won^-1k^-1)。

(2)B和C可同时为3价离子(B、Al、Ga或In)，其结构式可以简化为黄铜矿型化合物ABQ₂；或Q为负3价阴离子，为了满足价态平衡，C位可为4价阳离子，A位离子可以缺失，即化学表达式可简化为BCQ’₂。