[发明专利]高效能钾掺杂碲化铅‑硫化铅合金热电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及热电材料领域，具体的涉及高效能钾掺杂碲化铅-硫化铅合金热电材料及其制备方法。

背景技术

化石能源是目前全球消耗的最主要能源，2006年全球消耗的能源中化石能源占比高达87.9％，我国的比例高达93.8％。但随着人类的不断开采，化石能源的枯竭是不可避免的，大部分化石能源本世纪将被开采殆尽。此外，这种一次性化石能源为主的开发利用在给我们带来便利的同时也造成了极大的环境污染，使人类社会的可持续发展受到严峻挑战。因此，如何应对一次性化石能源即将枯竭带来的能源危机以及化石能源大量使用所带来的环境危机，已经成为一个世界性的核心课题，寻找新的清洁可再生能源材料已经成为世界各国科研人员研究的热点。

热电材料可以直接实现热能和电能相互转换，能有效地将工业和生活废热转化为亟需的电能。同时，利用热电材料制作出来的热-电转换器件还具有以下优点：(1)体积小，重量轻，无机械传动，坚固，且工作中无噪音；(2)温度控制可在±0.1℃之内；(3)无液态或气态介质，不必使用氯氟碳类物质，不会造成任何环境污染；(4)响应速度快，使用寿命长，易于控制。因而，在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行新型热电材料的研究与国民生活以及国家可持续发展息息相关，具有很重要的现实意义。然而，热电材料经过几十年的发展，其能量转换效率一直徘徊在10％左右。低的能量转换效率极大地制约着热电材料的大规模商业化应用。

因而，目前关于热电材料的研究仍有待改善。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有高的平均热电性能优值和高能量转换效率的高效能钾掺杂碲化铅-硫化铅合金热电材料。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种高效能钾掺杂碲化铅-硫化铅合金热电材料(在本文中，“高效能钾掺杂碲化铅-硫化铅合金热电材料”与“钾掺杂碲化铅-硫化铅合金”可以互换使用)。根据本发明的实施例，所述钾掺杂碲化铅-硫化铅合金具有如下式所示的组成：K_yPb_1-yTe_1-xS_x，其中，0.1≤x≤0.9，0.005≤y≤0.05。发明人发现，本发明的钾掺杂碲化铅-硫化铅合金具有斯宾那多分解全尺度分层结构，可以非常有效地对各个波段的声子进行散射，从而具有极低的热导率，同时，本发明的钾掺杂碲化铅-硫化铅合金具有较高的塞贝克系数和电导率，进而具有非常高的热电性能优值(ZT)和能量转换效率，是一种非常高效的热电材料。

根据本发明的实施例，0.24≤x≤0.36，0.02≤y≤0.03。由此，钾掺杂碲化铅-硫化铅合金的塞贝克系数和电导率较高，热导率非常低，在非常宽的温度范围内(300K-923K)热电性能优值很大，具有极高的平均热电性能优值，进而能量转换效率极高，因此是一种非常高效能的热电材料。

根据本发明的实施例，x＝0.3，y＝0.025。由此，钾掺杂碲化铅-硫化铅合金具有非常高的热电性能优值和能量转换效率。

在本发明的另一方面，本发明提供了一种制备前面所述钾掺杂碲化铅-硫化铅合金的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：将铅、碲、硫以及钾按照摩尔比为1-y：1-x：x：y的比例混合，以便获得原料混合物，其中，0.1≤x≤0.9，0.005≤y≤0.05；将所述原料混合物进行封管处理，以便获得经过封管处理的原料混合物；将所述经过封管处理的原料混合物进行熔炼，以便获得铸锭；将所述铸锭压碎后，进行球磨处理，以便获得微米级的铸锭粉末；将所述铸锭粉末进行放电等离子烧结，以便获得所述钾掺杂碲化铅-硫化铅合金。发明人发现，利用本发明的该方法，能够快速有效地制备获得前面所述的钾掺杂碲化铅-硫化铅合金，且制备获得的钾掺杂碲化铅-硫化铅合金具有极低的热导率、较高的塞贝克系数和电导率，进而具有非常高的热电性能优值和能量转换效率，是一种高效能的热电材料。

根据本发明的实施例，将铅、碲、硫以及钾按照摩尔比为1-y：1-x：x：y优选0.975：0.7：0.3：0.025的比例混合，其中，0.24≤x≤0.36，0.02≤y≤0.03。由此，钾掺杂碲化铅-硫化铅合金的塞贝克系数和电导率较高，热导率极低，进而热电性能优值较大，能量转换效率较高。