[发明专利]一种纳米级六角片状碲化铋热电材料的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米级六角片状结构碲化铋–Bi₂Te₃热电材料的合成方法，属于材料合成领域，具体适用于提供一种工艺环节少、周期短、成本低，且形状可调的获取纳米级六角片状结构碲化铋–Bi₂Te₃热电材料的制作方法。

背景技术

热电材料是一种通过载流子的移动静态地实现热能与电能相互转换的先进材料。随着人们环保和节能意识的提高，与热电材料相关的研究也越来越多。Bi₂Te₃化合物是目前使用最成熟的商用化热电材料之一，尤其在200℃至室温区间是性能最好的热电材料，但其最大ZT一直徘徊在1左右，如果要达到好的商业应用前景，与传统压缩机制冷效率相接近，其ZT值需要提高到2左右。近年来发现，纳米结构热电材料（纳米片、纳米点、纳米线、纳米晶）有大幅提高ZT值的潜力，与微米结构材料相比能够大幅提高ZT值，因此如何合成高质量的纳米级碲化铋-Bi₂Te₃热电材料成为研究热点。

关于Bi₂Te₃热电材料的制备方法，常用的如熔融反应法，该方法设备复杂、原料昂贵（需要Bi、Te纯金属）、工艺环节多、能耗大，并且制备得到的Bi₂Te₃材料结构属于微米级，在ZT值上与纳米级结构相比存在较大差距；另外一些方法，如气相沉积法、分子束外延法、磁控溅射法，虽然制备得到的Bi₂Te₃材料也属于纳米级材料，但其共同缺点是成本高、周期长。因此，开发出成本低、能耗低、周期短、工艺简单的合成方法已成为材料科学研究热点之一。

中国专利公开号为CN101597034A，公开日为2009年12月9日的发明专利公开了一种碲化铋纳米晶块体材料及其制备方法，该发明先在氩气压力下采用直流电弧蒸发冷凝的方法制备出碲、铋的纳米粉末，再将粉末在氩气气氛中研磨混合，然后置于SPS 烧结腔体中，施加30–50MPa的轴向压力，在氩气气氛或真空度为5–8Pa的条件下烧结，随炉冷却至室温以得到碲化铋纳米晶块体材料。虽然该发明能够制得纳米级的碲化铋热电材料，但其仍旧具有以下缺陷：

首先，该发明需要先制得碲、铋的纳米粉末，然后才能制取碲化铋，碲、铋的纳米粉末属于贵重金属，原料价格昂贵，制作成本很高，而且在制取时，设备复杂、能耗大；

其次，该发明在制取碲化铋时，不仅需要加热，而且需要气氛保护，还需要施加一定的压力，操作步骤较繁琐，且在加热时，需要较高的烧结温度，再次提高了制作成本；

再次，该发明最终制取的虽然是纳米级的碲化铋晶块体材料，但其形状不可控，无法对产品的形状进行调节，不利于提高产品的热电性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的工艺环节较多、成本较高、产品形状不可控的缺陷与问题，提供一种工艺环节较少、成本较低、产品形状可控的纳米级六角片状碲化铋热电材料的制作方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种纳米级六角片状碲化铋热电材料的制作方法，所述制作方法依次包括以下步骤：

碲铋混合工艺：先用电子天平称量分析纯态的含铋化合物、含碲化合物进行混合以得到混合料，混合料中元素Bi、Te的摩尔比为2：3，然后将混合料溶入有机溶剂中以得到混合溶液，混合料、有机溶剂的用量比为0.2–0.4mol：1L；

调节工艺：先在上述混合溶液中加入NaOH以使混合溶液的PH值为11–13，然后加入与NaOH同等质量的聚乙烯吡咯烷酮以得到调节后溶液；

密封加热搅拌工艺：先将上述调节后溶液置于带密封塞的烧瓶内，然后将密封后的烧瓶置入控温加热套中加热，加热至230–250℃后再保温4–8h，保温后停止加热以得到加热后溶液，且在加热、保温的整个过程中持续开启加热套的磁力搅拌功能；

提纯工艺：先将加热后溶液自然冷却至室温，然后通过离心法分离收集烧瓶内的黑色粉末状反应产物，再对黑色粉末状反应产物依次进行清洗、干燥以得到所述的纳米级六角片状碲化铋热电材料。

所述碲铋混合工艺中：所述有机溶剂为一缩二乙二醇或三甘醇。

所述碲铋混合工艺中：所述含铋化合物为质量百分比浓度为99%的Bi(NO₃)₃，所述含碲化合物为质量百分比浓度为98%的K₂TeO₃。