[发明专利]一种铋碲系自然超晶格热电材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种铋碲系自然超晶格热电材料及其制备方法。本发明提供的铋碲系自然超晶格热电材料，具有式(1)所示结构：Bi₄Te_5‑xSe_x式(1)；其中，0＜x＜5。本发明以Bi₄Te₅为基础，掺杂一定量的Se，能够显著提升材料的ZT值。本发明提供的制备方法包括单质粉末混合、(真空条件下)高温熔融淬火、研磨、(真空条件下)低温退火和热压处理，在惰性气体状态下将单质粉末混合均匀，并在高真空度下进行高温熔融和淬火来保持高温相，然后经过低温退火来得到材料在低温下的稳定相，最后经过热压处理得到Bi₄Te_5‑xSe_x块材。上述制备方法相比于传统固相烧结法大大缩短了制备周期，且明显提升了材料的热电性能。

技术领域

本发明涉及热电材料领域，特别涉及一种铋碲系自然超晶格热电材料及其制备方法。

背景技术

在全球化石能源的快速消耗以及废弃物增加的大环境下，废热再循环利用为缓解能源危机提供了新的机遇。而热电材料作为一种可以实现热能和电能之间相互转换的特殊功能材料，其在能量循环利用领域的地位日益显著。而决定热电材料能量转换效率的主要参数就是样品的ZT值：ZT＝α²σT/κ。其中α是样品的赛别克系数，定义是单位温度梯度下材料所能产生的电势差；σ是样品的电导率；κ是样品的热导率，由晶格热导和电子热导两部分构成；T 是样品测量的开尔文温度。

Bi₄Te₅作为一种新型的中低温区热电材料，属于(Bi₂)_m(Bi₂Te₃)_n同系物。其自然超晶格结构十分具有特色，以Bi₂层和Bi₂Te₃为基础结构单元，通过在c 轴方向上以1:5的比例进行堆叠排列而成。具有非常好的化学结构稳定性，拥有独特的电子和能带结构。并且此类材料普遍具有极低的本征晶格热导，是一种理想的中低温区热电材料。然而，上述材料的能量转换效率欠佳，且目前的合成方法主要为固相烧结法，过于繁琐，耗时达两周以上。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铋碲系自然超晶格热电材料及其制备方法。本发明提供的热电材料能够明显替身热电性能，同时，本发明提供的制备方法简单易行，能够大大缩短制备周期，便于规模化生产。

本发明提供了一种铋碲系自然超晶格热电材料，具有式(1)所示结构：

Bi₄Te_5-xSe_x 式(1)；

其中，0＜x＜5。

本发明还提供了一种上述技术方案中所述的铋碲系自然超晶格热电材料的制备方法，包括以下步骤：

a)在保护性气氛下，将Bi粉、Te粉和Se粉研磨混合，得到混合粉末；

b)在真空条件下，对所述混合粉末进行热处理，得到熔融体；

c)将所述熔融体进行冷却淬火后，进行研磨，得到研磨粉末；

d)在真空条件下对所述研磨粉末进行退火处理，之后再进行热压，得到铋碲系自然超晶格热电材料；

所述铋碲系自然超晶格热电材料具有式(1)所示结构：

Bi₄Te_5-xSe_x 式(1)；

其中，0＜x＜5。

优选的，所述步骤b)中，所述热处理的温度为900～1000℃，时间为6～12h。