CoSb3基热电纳米材料的水热制备及研究

摘要

热电材料是一种能够实现电能与热能之间直接转换的半导体功能材料。它提供了一种安全可靠、全固态的发电和制冷方式，具有广阔的应用前景。热电材料的纳米化能够有效降低材料的热导率，由于纳米结构引入了大量的晶界，纳米颗粒和晶界对声子的选择性散射降低了材料的热导率。水热法在制备低维材料方面具有合成工艺简单、成本低、易于控制形貌等显著优点，在纳米材料制备领域具有广泛的应用。
　　本文以方钴矿CoSb3热电材料为研究对象，采用水热法、热压合成了具有纳米结构的方钴矿化合物，并结合材料的掺杂、填充手段，对热电材料进行了研究，取得了以下主要成果。
　　在本论文第三章中，我们系统研究了CoSb3热电材料的合成工艺参数。采用不同的化合物作为Sb源，通过物相结果分析，确定最佳的Sb源为SbCl3;同时在实验中还不断的提高水热反应温度和延长保温时间，最终在270℃保温24h下得到了均匀单相的CoSb3纳米粉末，粉体的粒径约为50nm。随后，将纳米粉体热压烧结成块体，对材料的热电性能进行测试，结果表明，样品的热导率得到了显著的降低，介于1.93到2.06Wm-1K-1之间，这得益于纳米材料的晶界密度的提高。
　　在第四章中，为了提高材料的热电性能，我们在前面实验的基础上，对材料进一步进行Fe元素的置换和稀土Dy元素的填充。在实验中，我们研究了热电材料FexCo4-xSb12中(x=0.5，1，2) Fe原子的最佳置换参数，通过分析确定，在270℃制备出了均匀单相的Fe1Co3Sb12，随着Fe含量的增加，杂质相会增多，掺杂样品的形貌为球形小颗粒，粒径约为100nm。最后，本论文还初步研究了对Fe掺杂样品进行稀土元素Dy的填充，从物相分析可知，得到了单相的填充方钴矿粉体材料，稀土Dy元素的最佳填充量为0.4。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 热电材料的研究意义与历程

1．1．1 热电材料的研究意义

1．1．2 热电材料的研究历程

1．2 热电学的基本理论

1．2．1 Seebeck(塞贝克)效应

1．2．2 Peltier(帕尔贴)效应

1．2．3 Thomson(汤姆逊)效应

1．3 热电材料的性能

1．4 热电材料的应用

1．4．1 热电制冷

1．4．2 温差发电

1．5 热电材料的研究现状

1．5．1 传统热电材料的研究进展

1．5．2 新型热电材料的研究进展

1．6 方钴矿基热电材料

1．6．1 方钴矿热电材料的结构

1．6．2 改良CoSb3型方钴矿材料性能的方法

1．7 本文的研究目的及内容

第二章 实验方法

2．1 实验原料及仪器

2．2 材料的制备过程

2．3 材料的物性测试

2．3．1 X射线衍射(XRO)分析

2．3．2 扫描电子显微(SEM)分析

2．3．3 电子探针X射线显微分析(EPMA)

2．3．4 透射电子显微镜分析(TEM)

2．4 材料的性能测试

2．4．1 Seebeck系数的测试

2．4．2 电导率的测试

2．4．3 热导率的测试

第三章 CoSb3纳米材料的制备及性能分析

3．1 水热法介绍

3．2 CoSb3纳米粉末制备

3．3 CoSb3纳米粉末分析与表征

3．3．1 物相分析

3．3．2 形貌以及成分定性分析

3．3．3 微结构分析

3．4 CoSb3纳米粉末的热压烧结

3．4．1 块体材料物相分析

3．4．2 块体材料形貌分析

3．4．3 块体材料热重分析

3．5 CoSb3纳米材料的性能测试与分析

3．5．1 电学输运性能

3．5．2 热学输运性能

3．5．3 ZT值

3．6 本章小结

第四章 置换和填充纳米材料的制备及分析

4．1 FexCo4-xSb12纳米粉末制备

4．2 FexCo4-xSb12纳米粉末分析与表征

4．2．1 物相分析

4．3 FexCo4-xSb12纳米粉末的热处理

4．3．1 物相分析

4．3．2 形貌以及成分定性分析

4．3．3 波谱分析

4．4 方钴矿纳米填充材料的制备及分析

4．4．1 填充纳米粉体的制备

4．4．2 填充纳米粉末的物相分析

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢