[发明专利]一种超快速制备Cu2

说明书

本发明首次公开了一种超快速制备Cu₂Se/BiCuSeO块体复合热电材料的方法，它以Cu粉、Se粉和Bi₂SeO₂粉为原料，首先将原料混合均匀，将所得混合原料装入石墨模具中，置于等离子体活化烧结设备中在等离子体活化烧结工艺的等离子体活化阶段制备得到单相、致密的Cu₂Se/BiCuSeO块体复合热电材料，使Cu₂Se、BiCuSeO化合物的反应合成与Cu₂Se/BiCuSeO复合热电材料的形成及致密化过程一步完成。本发明涉及的工艺非常简单、制备时间极短，所得复合热电材料性能优越，在973K时ZT_max＝1.9，为Cu₂Se/BiCuSeO块体复合热电材料的规模化制备和大规模应用奠定了良好的基础。

技术领域

本发明属于热电材料制备技术领域，具体涉及一种超快速制备Cu₂Se/BiCuSeO块体复合热电材料的方法。

背景技术

热电转换技术利用热电材料直接将热能与电能进行相互转换，具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、适用温度范围广、有效利用低密度能量等特点，在工业余废热和汽车尾气废热的回收利用、高精度温控和特种电源技术等领域具有广泛的应用。热电材料的转换效率由无量纲热电优值ZT(ZT＝α²σT/κ，其中α为Seebeck系数、σ为电导率、κ为热导率、Τ为绝对温度)决定。ZT越大，材料的热电转换效率越高。目前研究较多的高性能热电材料一般是Te基的，如PbTe和Bi₂Te₃。Te元素在地球中的储量稀少、价格昂贵，同时它也是太阳能电池的主要组成元素，这些因素都极大地制约着Te基热电材料的大规模商业化应用和可持续性发展。因此开发储量丰富、价格低廉的高性能热电材料及寻求低成本超快速的制备方法具有重要意义。

近年来Cu₂Se化合物以其优异的热电性能受到研究者的广泛关注，因为其是典型的“声子液体”，表现出的横波阻尼效应使得其具有极低的晶格热导率。同时，由于Cu和Se的来源丰富、价格便宜，使得Cu₂Se化合物在大规模商业化生产上具有巨大潜力。目前Cu₂Se化合物主要采用长时间固相反应法、熔融退火法及自蔓延燃烧合成技术制备得到，需要进一步烧结致密化才能得到块体。同时高温处理带来一个始终无法解决的问题是Se的挥发，造成成分的难以控制。

此外，新型四元BiCuSeO化合物由具有导电功能的(Cu₂Se₂)^2-层及热绝缘功能的(Bi₂O₂)²⁺层构成，独特的晶体结构产生的量子限域效应可实现电热输运性能的独立调控。该材料具有很低的热导率，同时，未掺杂样品的电性能较差，通常通过提高其电导率优化热电性能，例如结构内引入Cu空位或Bi/Cu双空位，Bi位掺杂碱金属、碱土元素或重元素Pb，Se位固溶 Te等。由于材料低的热导率及优化的电输运性能，材料的热电优值ZT在900K左右超过1。由于该此化合物具有热电性能优异、组成元素价格低廉及绿色无毒等特点，使其在中高温热电发电领域具有巨大的应用潜力。

因此，寻求一种简便节能、绿色环保，同时避免高温处理的技术制备Cu₂Se/BiCuSeO复合材料，将横波阻尼效应及量子限域效应集成在一种材料中优化热电性能具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种超快速制备Cu₂Se/BiCuSeO块体复合热电材料的方法，其涉及的工艺超简单、制备时间超短，所制备的Cu₂Se/BiCuSeO块体复合热电材料性能优越，为其规模化制备和大规模应用奠定了良好的基础。