[发明专利]一种二维过渡金属碳化物/碲化铋或其衍生物基热电复合材料及其制备

说明书

本发明涉及一种二维过渡金属碳化物/碲化铋或其衍生物基热电复合材料及其制备。该复合材料包括：硅烷偶联剂改性的碲化铋或其衍生物基热电材料和MXene。该制备方法包括：将碲化铋或其衍生物基热电材料用硅烷偶联剂改性，然后与MXene异相沉积，烧结。该复合材料具有较低的热导率和较高的电导率。该方法成本低、简单易行、适用范围广、易于工业化批量生产等特点。

技术领域

本发明属于碲化铋基或其衍生物复合热电材料及其制备领域，特别涉及一种二维过渡金属碳化物/碲化铋或其衍生物基热电复合材料及其制备方法。

背景技术

碲化铋基及其衍生物热电材料自20世纪50年代以来备受关注，被认为是低-中温范围高性能热电材料的基准。由Sb₂Te₃，Bi₂Te₃和Bi₂Se₃为代表的碲化铋基材料优异的热电(TE)性能主要归因于其高功率因子(PF)以及由范德华力形成层间弱结合导致的低热导率(κ)。研究表明通过等电子外部掺杂优化热电性能，制备得到的三元化合物(如n型Bi₂Te_3-xSe_x和p型Bi_2-xSb_xTe₃)，其TE性能得到了极大的提升，最大ZT约为1，这也是目前最好的商业TE材料，主要应用于室温附近的冷藏。然而，此较低的转化效率无法应用于室温附近的废热回收。因此，在整个温度范围中进一步提高碲化铋基热电材料的ZT(或平均ZT)尤为重要。

为了获得更高的TE性能，目前主要有如下策略，包括外在掺杂，本征缺陷工程，纳米结构和织构化。然而，因为难以综合调节电荷和声子传输，所以在宽温度范围内实现总体ZT的提升极具挑战性。尽管通过这些方法在一些碲化铋基热电化合物中报道过高ZT值，但很少有高效热电器件的报道，特别是用于发电。目前商用的TE发电模块仅运行效率约为4％，远低于预期。

相比之下，纳米级第二相的复合可以提供丰富的异质界面和晶界，可以极大地改善复合材料中的电荷和声子传输行为，从而在宽温度范围内优化ZT。例如，在Bi₂Te₃中引入一维纳米粒子会导致热导率急剧降低的同时增加PF。在此基础上，二维(2D)纳米材料如石墨烯的复合应该表现出相当显著的效果，因其独特的特性，如高表面积和晶界样形态。然而，石墨烯复合碲化铋基热电材料优化热电性能显少有成功的例子，这是因为加入石墨烯是氧化石墨烯还原得到，其电导率较低且结构也受到一定程度的破坏，不足以进一步提高碲化铋基热电材料的电导率。此外，由于二维材料表面积高，传统的复合方法，如区域熔化原位复合或球磨复合都难以实现其在基体中的均匀分散。[Huaichao Tang,et al.NanoEnergy 49(2018)267-273][Raghavendra Nunna,et al.Energy Environ.Sci.,2017,10,1928-1935][Peng-an Zong,et al.Energy Environ.Sci.,2017,10,183-191]而在复合材料中不能防止第二相的严重团聚，则引入的第二相会使TE性能和机械性能反向劣化。同样作为二维材料的MXene，具有超高亲水性和金属传输性能，导电率非常高达4600S/cm。但目前尚未见有关MXene热电复合材料。通过合理设计MXene复合组分和复合材料的制备工艺，有希望制备出高性能MXene/碲化铋基热电复合材料，对热电材料的发展和应用具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种二维过渡金属碳化物/碲化铋或其衍生物基热电复合材料及其制备方法，以克服现有技术中碲化铋基热电复合材料分散不均匀，电导率低同时热导率高等缺陷。

本发明提供一种二维过渡金属碳化物/碲化铋或其衍生物基热电复合材料，所述复合材料包括质量比为1：0.002-0.1的硅烷偶联剂改性的碲化铋或其衍生物基热电材料和MXene。