[发明专利]一种低温固相反应制备Cu2Se热电材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料领域，具体涉及一种Cu₂Se热电材料的制备方法。

背景技术

近十几年来，人口急速膨胀，工业迅猛发展，能源和环境问题已经逐渐凸显，以原油价格暴涨、温室气体排放过量和臭氧层空洞为标志的能源危机和环境危机日益引发关注。目前，石油、煤炭、天然气等传统能源已经无法满足社会和经济发展要求。在此背景下，寻找和开发新能源以及新能源材料成为全球科学工作者研究的热点。热电材料能直接将热能转换成电能，其作为一种环境友好型材料在利用工业余热及废热，汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等能量方面有着重要的应用前景。因此热电材料受到人们的广泛关注。

Cu₂Se化合物是一种离子电子混合型超离子导体，具有较好的电性能和复杂的晶体结构，是一种潜在的具有电子导体—声子玻璃特征的热电材料。由于原料储量丰富、价值低廉、热电性能优异等优点，受到人们的关注。

目前Cu₂Se基热电材料的合成主要采用熔融法，但由于反应原料中存在高熔点的Cu单质，熔融法反应温度一般较高，高于1000℃，而Se的沸点不到700℃，导致反应过程中Se的挥发损失严重，很难精确控制产物中Se的含量，因而采用熔融法重复性不好，对设备要求高，这极大限制了材料热电性能的优化研究，不利于材料相组成的调控和热电性能优化。因此找到一种简单快捷，能耗少，重复性好的合成方法显得十分重要。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明的目的在于提供一种低温固相反应制备Cu₂Se热电材料的方法，该方法反应温度低，原材料成本低廉，按照Cu₂Se的化学计量比投料，能较好地控制产物组成，重复性好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种低温固相反应制备Cu₂Se热电材料的方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）以Cu粉、Se粉为原料，按Cu粉和Se粉摩尔比为2:1，称取Cu粉和Se粉，将两者混合均匀，得到混合粉体；

2）将混合粉体在压片机上压成块体，将块体置于石墨坩埚内，抽真空并密封于石英玻璃管中，再置于马弗炉中650～750℃固相反应12～24h，将所得产物研磨成粉末；

3）将步骤2）所得粉末进行放电等离子体烧结，得到致密块体，即为Cu₂Se热电材料。

按上述方案，所述的步骤1）中，Cu粉和Se粉的质量纯度均大于等于99.9%。

按上述方案，所述的步骤2）中，压片机的压力为10～15MPa。

按上述方案，所述的步骤2）中，块体是直径为10mm的圆柱形块体。

按上述方案，所述的步骤2）中，固相反应是以2～5℃/min的升温速率从 200℃升温到650℃～700℃，然后保温12h～24h，保温结束后随炉冷却，得到产物。

按上述方案，所述的步骤3）中，粉末进行放电等离子体烧结的过程为：将粉末装入石墨模具中压实，然后在真空小于10Pa和烧结压力为30～35MPa条件下进行烧结，先以50～100℃/min的升温速率升温到550～600℃，烧结致密化时间为7～10min，得到致密块体，即为Cu₂Se基热电材料。

由于本发明方法所选用的合成温度较低（650～750℃），较熔融法选用的合成温度低300~500℃，因而将发明方法命名为低温固相反应。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一，原材料成本低廉，本发明主要采用Cu粉、Se粉作为原料，来源丰富、价格低廉；第二， 采用固相反应法，不需要通过熔融反应原料，反应温度低（反应温度不超过800℃），节省能源；第三，本发明按照Cu₂Se的化学计量比投料，能较精确地控制产物组成，重复性好，产物成分分布均匀，固相反应合成产物和放电等离子体烧结烧结快体均为很好的单相化合物。

附图说明

图1中a为实施例1中步骤3）得到的固相反应后的粉体的XRD图谱，b为实施例1中步骤4）得到的Cu₂Se热电材料的XRD图谱。

图2中a为实施例2中步骤3）得到的固相反应后的粉体的XRD图谱，b为实施例2中步骤4）得到的Cu₂Se热电材料的XRD图谱。

图3中a为实施例3中步骤3）得到的固相反应后的粉体的XRD图谱，b为实施例3中步骤4）得到的Cu₂Se热电材料的XRD图谱。