[发明专利]一种低维纳米银/ Bi2Te3基热电复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于热电复合材料及其制备领域，特别涉及一种低维纳米银/Bi₂Te₃基热电复合材料及其制备方法。

背景技术

热电材料是通过半导体材料的塞贝克效应和帕尔贴效应实现热能与电能直接相互耦合、相互转化的一类功能材料。因其自身具有无污染、无噪声、体积小、寿命长、可靠性高等优点，而广泛应用于废热发电、航空航天、军事装备、家用电器等领域。

热电材料的性能主要取决于材料的无量纲热电优值ZT（ZT=α²σT/κ，其中α为Seebeck系数，σ为电导率，κ为热导率，T为绝对温度）。材料的ZT值越大，热电转换效率就越高，热电性能越好。迄今为止，Bi₂Te₃基合金仍是室温附近具有最佳热电转换性能的材料之一，其ZT值可达1左右，在热电制冷和温差发电等方面拥有十分广阔的应用前景。

要获得更优异的热电性能，就需要更大的ZT值。传统的方法是通过掺杂等手段，优化载流子浓度，从而提高材料的热电性能，但通过该方法很难实现ZT值的进一步优化。近年来，低维纳米复合热电材料的制备成为一种提高材料热电性能的有效手段。通过引入粒径介于电子（空穴）平均自由程和声子平均自由程的纳米第二相粒子，增强声子散射，降低晶格热导率，提高热电材料的ZT值。Scoville等（N.Scoville,et al.Thermal conductivity reduction in SiGe alloys by the addition of nanophase particles.Nanostructured Materials.5,207,1995）将BN和B₄C纳米颗粒与SiGe基热电材料复合，使SiGe的热导率降低了40%；J.F.Li等（CN200510130794.4）通过机械合金法将SiC纳米颗粒掺入到Bi₂Te基热电材料中，当SiO₂掺杂量为0.5%wt时，最大ZT值达到1.07；X.B.Zhao等（X.B.Zhao,et al.Synthesis and characterization of carbon nanotube supported Bi2Te3nanocrystals.Journal of Alloys and Compounds.502,329,2010）首次采用微波辅助多元醇法将碳纳米管掺杂到Bi₂Te₃基热电材料中；X.L.Wang等（X.L.Wang,et al.Electrical and thermoelectric properties of single-wall carbon nanotube doped Bi2Te3.APPLIED PHYSICS LETTERS.101,031909,2012）制备出SWCNT/Bi₂Te₃复合热电材料，当SWCNT掺杂量为0.5%时，复合材料热导率降低了13%，使得材料ZT值提高了30%。因此，低维纳米材料的复合及调控是改善传统热电材料性能行之有效的手段。

但是，在纳米颗粒增强声子散射、降低晶格热导率的同时，载流子也会受到一定程度的散射，从而降低了复合材料的电导率。并且，纳米颗粒的导电性也对复合材料的电输运性能有一定影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低维纳米银/Bi₂Te₃基热电复合材料及其制备方法，该发明在维持基体热电材料的导电率基本不变的情况下，可显著降低材料的晶格热导电率，并提高材料的塞贝克（Seebeck）系数，由此可较大幅度地提高材料的热电性能；该发明制备方法简单、快速，可增加材料的利用率，改善生产工艺，降低生产成本，具有良好的产业化前景。

本发明的一种低维纳米银/Bi₂Te₃基热电复合材料，所述热电复合材料由两相组成，第一相为纳米Bi₂Te₃，第二相为低维纳米银；其中热电复合材料中纳米银的体积百分含量为0.5～2.5%。

按照所需的体积比乘以对应的密度换算成质量比，其中银的密度为10.53g/cm3，Bi2Te3的密度为7.865g/cm3，复合粉体的总质量设定为2g。

所述低维纳米银为银纳米颗粒AgNPs、银纳米线AgNWs中的一种或两种。