Cu2Se/石墨烯纳米复合热电材料的化学法制备及其热电性能研究

摘要

提高能源利用率、发展清洁能源、减缓能源危机，有效推动经济和环境的可持续发展是目前全世界面临的重大课题。热电材料，作为一种环境友好的的新型能源材料，在近几十年得到了广泛关注。其中，Cu2Se基热电材料原料丰富、无污染，热导率较低、Seebeck系数较高，具有潜在的热电应用前景，但其较低的电导率限制了其热电性能的提高。此外，目前其制备方法主要是高温熔融法或固相反应法，所需温度高、时间长，在能源方面消耗极大；采用自蔓延合成方法虽然能快速制备，但仍需要单质金属，成本较高。基于Cu2Se体系研究存在的上述问题，进一步提高Cu2Se基材料的电导率，寻求一种低成本的制备方法，本研究探索Cu2Se与具有大的迁移率和电导率的石墨烯通过低温湿化学法复合的可能性，系统研究Cu2Se/石墨烯复合的工艺参数和复合机理，研究了石墨烯的复合量及Cu2Se的粒径尺寸对符合擦了热电性能的影响规律，其研究内容和结果如下：
　　分别采用分步和一步低温湿化学法制备了Cu2Se/石墨烯复合材料，结果表明：分步低温湿化学法得到的复合粉体中Cu2Se颗粒分布在石墨烯表面或者被半包裹在石墨烯中，两相团聚现象较为明显；一步低温湿化学法得到的复合材料中，Cu2Se颗粒均匀分布在石墨烯表面，未出现团聚现象，呈现为层状结构。形成机理研究表明：复合过程中存在着离子-原子反应；石墨烯的加入会延长反应时间，这可能是因为石墨烯对Cu源起到了分散作用，降低反应速率，同时石墨烯的酸性也会在一定程度上降低水合肼的还原能力。
　　采用还原热处理可以有效去除Cu2Se/石墨烯复合粉体中残留的含氧官能团；升高温度、延长反应时间，含氧官能团被清除地更加彻底。红外光谱和拉曼光谱测试结果显示：在H2还原气氛下、450℃热处理4h，可全部去除残余的含氧官能团。对不同时间和温度下制备的复合粉体进行了粒径分布曲线测试，结果表明：随着反应温度升高、时间延长，得到的复合粉体粒度增大；复合粉体的粒度分布较为宽泛，从纳米级跨越到微米级。
　　研究了复合粉体粒度尺寸对其热电性能的影响，随着粉体的粒度减小，Cu2Se/石墨烯复合材料的热导率降低，热电性能提高。反应温度为90℃、时间为10h的粉体粒径最小，在773K得到最大ZT值1.03。研究了不同石墨烯含量对Cu2Se/石墨烯复合材料热电性能的影响规律，与石墨烯复合可显著提高样品的电导率、降低热导率。随着石墨烯含量的增加，电导率逐渐升高同时热导率不断升高。石墨烯复合量为1％的样品在773K得到了最大ZT值1.34，较未复合样品提高了334%。

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第1章 绪论

1.1 热电效应简介

1.2 影响材料热电性能的参数

1.3 Cu2Se基热电材料的研究进展

1.4 石墨烯简介

1.5 本论文的选题意义与主要内容

第2章 材料的制备及表征

2.1 材料的制备方法及设备

2.2 样品结构表征与性能测试

第3章 Cu2Se/石墨烯复合粉体的制备与表征

3.1 引言

3.2 石墨烯的制备与表征

3.3 复合粉体的制备与表征

3.4 Cu2Se/石墨烯复合粉体的形成机理分析

3.5 本章小结

第4章 复合粉体的还原热处理与粒径分布

4.1 引言

4.2 Cu2Se/石墨烯复合粉体的还原热处理

4.3 复合粉体的粒径分布

4.4 本章小结

第5章 Cu2Se/石墨烯复合材料热电性能研究

5.1 引言

5.2 不同粒径分布对复合材料热电性能的影响

5.3 石墨烯复合量对材料热电性能的影响

5.4 本章小结

第6章 结论

参考文献

硕士期间发表论文和申请专利情况

致谢