[发明专利]一种N型碲化铋-石墨复合热电材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种N型碲化铋‑石墨复合热电材料的制备方法，首先固相合成Cu_0.03Bi₂Te_2.7Se_0.3粉末，将其和石墨粉混合后，加入到高速剪切机中，再加入无水乙醇，搅拌混合后，得到复合粉体分散液，离心干燥后，得到复合粉体，将复合粉体于放电等离子烧结炉中，升温至500℃，在30MPa下保温烧结，然后冷却至室温，即得。本发明方法具有操作简单、条件温和、产量高、能耗低、设备成本低、设备体积小的优点，制备的复合热电材料在常温下具有高热电性能，适合实验室和工厂大规模生产当下应用的热电制冷器件。

技术领域

本发明属于热电材料的制备技术领域，具体涉及一种N型碲化铋-石墨复合热电材料的制备方法。

背景技术

随着人类科技的不断发展，日益增长的科技与能源需求之间的矛盾不断加大。由于不可再生资源的枯竭和能源使用造成的环境恶化，以及目前的能源利用率也比较低，人类迫切需要一种能够回收利用废热的材料和清洁能源。

热电材料是利用固体内部载流子与晶格的相互作用，实现电能和热能相互转换的材料，由P型和N型热电材料对串联集成的器件即为热电器件，能够实现热与电的直接转化，这种器件具有无转动部件、无噪音、无污染、使用寿命长、体积小等优点，在热电冰箱、废热利用等方面具有重要的应用价值。热电材料通过固体中载流子运输实现热能与电能的相互转换，一般使用热电品质因子ZT：ZT＝S²σT/κ(其中S为赛贝克系数，σ为电导率，T为绝对温度，κ为热导率)来衡量其热电性能。热电材料中碲化铋体系研究相对成熟，是目前在室温下使用最广的热电材料，已经在热电冰箱等方面投入使用。

目前，文献报道P型碲化铋的ZT值已经达到1.5以上，N型仅为1.3左右，而商用N型碲化铋的ZT仅为1，二者性能的不匹配大大束缚了热电材料的应用。传统N型碲化铋材料Bi₂Te_2.7Se_0.3的ZT峰值温度在400K以上，在室温下ZT值较低，应用于热电制冷方面能量转化效率不高，因此迫切需要一种在室温下有高热电性能的材料。

通过在Bi位插层低价态的Cu元素，可实现受主掺杂，提升空穴浓度，降低Cu_0.03Bi₂Te_2.7Se_0.3的载流子浓度，使得Cu_0.03Bi₂Te_2.7Se_0.3的塞贝克系数在低温下达到极值，进而可在较低的温度下达到ZT极值。现有技术中，Cu_0.03Bi₂Te_2.7Se_0.3的合成方法有固相法和水热法，其中水热法效率低步骤繁琐，不适合工业大规模应用，而固相法合成的Cu_0.03Bi₂Te_2.7Se_0.3材料晶粒较大，热导率较高，性能较差。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种N型碲化铋-石墨复合热电材料的制备方法，操作简单，制得的热电材料在室温下具有高热电性能。

技术方案

本发明在固相合成N型Cu_0.03Bi₂Te_2.7Se_0.3后，通过加入石墨，共同进行高速液相剪切与剥离，形成石墨镶嵌在Cu_0.03Bi₂Te_2.7Se_0.3晶界的显微结构，控制Cu_0.03Bi₂Te_2.7Se_0.3纳米片的晶体生长，在增强材料电学性能的同时降低了热性能，使得在常温下就能实现热电性能的大幅提升。具体方案如下：