碲化铅基块体纳米材料的制备及其热电性能研究

发布时间：2020-01-29 18:17

【摘要】：随着煤、石油和天然气三大能源可用量的日益减少,人们对电能需求的日益增加,同时考虑到传统能源燃烧向环境中排放的二氧化碳等气体对环境的影响,可以把热能直接转换成电能的热电材料就越来越受到人们的关注。元素掺杂和纳米结构化是提高热电材料ZT值的主要方法,掺杂可以提高材料的电导率,而纳米结构化提高塞贝克系数的同时也降低材料的热导率。碲化铅(Pb Te)的禁带宽度为0.32 e V,是窄禁带半导体,也是中温区(450 800 K)研究最多、性能最好的热电材料之一。本论文采用水热法制备锶掺杂Pb Te纳米粉体,之后用热压法把粉体压制成块体,研究掺杂浓度和水热反应时间对块体样品的热电性能的影响。本文取得的研究内容如下:1.以Pb(NO3)2和Na2Te O3为反应前驱物,Na OH和Na BH4分别为酸碱度调节剂和还原剂,用水热法制备Pb Te纳米粉体,并将制备的粉体热压成块体样品。研究水热反应时间对由粉体热压成块体的Pb Te纳米块体样品的热电性能的影响。XRD结果表明,水热反应时间为8 h时,样品中有元素Te的峰出现,而延长反应时间只有Pb Te峰出现,说明8 h时样品反应不充分。样品的电导率在室温时随水热反应时间延长而增大,在450 700 K温度区间内随水热反应时间延长而减小。反应时间为12 h样品的塞贝克系数在约358K时达最大值为~429μV/K,比8 h样品的最大值提高了22%。反应时间为10 h的样品的热导率最低。在373 K时,反应时间为12 h样品的ZT值是8 h样品的十倍。2.用Sr(NO3)2为锶源对Pb Te样品进行掺杂,同样用水热法和热压法制备Pb Te块体样品。研究掺杂量对Pb Te块体样品热电性能的影响。结果表明,电导率随掺杂浓度的增加而增加,在约450 K时,掺杂量为4 mol%样品的电导率是未掺杂样品的四倍多。掺杂量为2 mol%时塞贝克系数达最大,在约410 K时达到最大值462μV/K,比未掺杂样品的塞贝克系数提高了42%。功率因子取最大值的掺杂量为4 mol%,在500 K时达最大值~6.5μWcm-1K-2,约是未掺杂样品的五倍。掺杂量4 mol%的样品的热导率最低。ZT值取最大值的掺杂量为4mol%,在673 K达约0.41,比未掺杂样品提高了30%以上。3.研究在掺杂量相同的时候,水热反应时间对Pb Te块体样品热电性能的影响。对掺杂量为2 mol%和4 mol%的Pb Te分别研究发现,电导率均是随反应时间增加而先增加后降低,但是,电导率达到最大值的反应时间分别为12 h和10h。掺杂量为2 mol%样品的塞贝克系数在水热反应时间为10 h时达最大值,掺杂量为4 mol%样品的塞贝克系数在水热反应为12 h和24 h时在温度区间由正值变为负值。功率因子分别在12 h和10 h时达最大值,热导率分别在8 h和10h时达最小值。掺杂量为2 mol%样品的ZT值在反应时间为12 h达最大值,在约473 K时是反应时间为8 h样品的近四倍。掺杂量为4 mol%样品的ZT值在反应时间为10 h达最大值,在约673 K时比反应时间为8 h样品的ZT值提高了20%。
【图文】：

ab 为导体 a 和 b 的相对珀尔帖系数，其单位是W A或V 。另外规定，图1.1 中结点 A 为吸热，同时结点 B 为放热时，珀尔帖系数ab 为正值，反之，A为放热 B 为吸热时， 为负值。对于许多材料来说，塞贝克系数随温度的变化并不是常数，，温度的空间梯度导致了塞贝克系数的梯度变化。如果电流经过这个温度梯度，那么其珀尔帖效应也会连续发生。1855 年，汤姆逊（Thomson）发现并建立了珀尔帖与塞贝克效应之间的关系，并由此产生了汤姆逊效应。汤姆逊效应的表述为：在温度不均匀的导体中，当有电流通过此导体时，导体除了会吸收或放出一定的热量（也称为汤姆逊热）外，还会产生不可逆的焦耳热。反之亦然，当导体的两端存在温度差时，其两端也会有电势差的出现。假设电流 I 流经一个均匀导体

5图 1.2 热电模型的示意图：（a）为发电模式（塞贝克效应），（b）为制冷模式（珀尔帖效应）[3]因此，为了提高转化效率产生足够的电能，材料的两端就需要有比较大的温度差。目前，热电研究的重心是优化热电材料的三个参数之间的关系，即电导率、塞贝克系数和热导率间的关系。为了获取大的热电优值（ZT），进而得到高的转换效率，高电导率和塞贝克系数，以及低的热导率是必不可少的[4,5]。低载流子浓度的半导体和绝缘体有较大的塞贝克系数，高电导率却存在于高载流子浓度的金属导体中。因此，最优功率因子的载流子浓度位于半导体和金属之间，如图 1.3 所示[6]。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1

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本文编号：2574434