[发明专利]一种自催化低温快速合成Cu2

说明书

本发明首次开发了一种自催化低温快速合成Cu₂Se基热电材料的方法，它以Cu粉和Se粉为原料，利用过量Cu的自催化作用，使按化学计量比Cu_2(1+x)Se(x＞0)混合后的粉体在130℃以上低温进行短时间处理即可得到Cu₂Se基单相化合物；且所得化合物粉体在室温下进行简单冷压可得到高致密度块材，并表现出优异的热电性能。本发明涉及的原料价格低廉，工艺超简单、制备时间超短，可为Cu₂Se热电材料的制备和大规模应用奠定良好的基础。

技术领域

本发明属于材料制备科学领域，具体涉及一种自催化低温快速合成Cu₂Se基热电材料的方法。

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、T 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。近年来，武汉理工大学的唐新峰教授等人发展了高温自蔓延反应合成Cu₂Se化合物，其细致研究指出，化学计量比的反应混合物需要在Se的熔点(221℃)以上点火，方能引发自蔓延反应。该技术简便节能、绿色环保。然而，221℃并不是一个非常容易实现的一个温度，真正商业化应用维持这一温度仍然需要耗费一定能量，此外，Se超过熔点后其变得更容易挥发，很难极为精确地控制终产物的成分，对于半导体而言，成分的精确控制是保证材料性能可控的关键。因此，寻找一种更加温和、快速、绿色及节能的合成技术显得极为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种低压诱导室温快速合成Cu₂Se基热电材料的方法，涉及的工艺超简单、制备时间超短，可为Cu₂Se基热电材料的制备和大规模应用奠定良好的基础。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种自催化低温快速合成Cu₂Se基热电材料的方法，它以Se粉和过量Cu粉为原料，进行低温反应得到Cu₂Se基化合物。

上述方案中，所述低温反应温度为130℃以上，时间为3min以上。

优选的，所述低温反应温度为130～180℃，即在油浴能实现的温度范围内。

上述方案中，所述Se粉和Cu粉的摩尔比为1:2(1+x)，其中0＜x≤0.1。

优选的，所述x的取值范围为0＜x≤0.05。

上述方案中，所述Cu₂Se基化合物经室温冷压制备得Cu₂Se基块体材料，其热电性能优越；当x＝3％时，在370K无量纲热电优值ZT高达0.45。

上述方案中，所述室温冷压步骤采用的压力为450～800MPa，时间为2～15min。