[发明专利]一种采用碲化铋掺杂碳气凝胶制备热电材料的新方法

说明书

技术领域

本发明涉及热电材料领域以及气凝胶技术领域，特别涉及一种采用碲化铋（Bi₂Te₃）掺杂碳气凝胶制备热电材料的新方法。

背景技术

热电材料在外界温差或电流作用下无需运动部件，便可根据Seebeck效应或Peltier效应将热能与电能相互转换，因此可望用于自然界温差发电、太阳能利用、汽车尾气和工业余热的回收利用，以及温控、通电制冷、微电子电路冷却、无线传感器等领域。

   半导体材料Bi₂Te₃，由于能隙较窄(Eg=0.15eV)，作为热电材料具有较高的品质因数。纯的Bi₂Te₃ZT值可达1.4。Bi₂Te₃基化合物作为室温附近最好的热电材料之一，在航空航天，医疗器材，微电子及生物芯片等多种领域有广泛用途。

    碳纳米管具有很多优异的理化性能，它大的比表面积，良好的机械性能，电学性能使它备受研究者的关注。通过构筑如隔离网络或纳米结构化的特殊结构，能有效地发挥无机材料的高热电性能和高分子材料的低导热性能，因此，具有特殊结构的有机-无机复合材料在作为价廉、轻质、高效的热电材料上具有很大的发展潜力和研究价值。

    气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔的网络结构。其基体为空气，同时气孔和界面作为有效散射源，使声子散射加强，因此其室温真空热导率可低至0.001Wm^-1K^-1，是普通高分子的1/200，在现有材料中最低；并且气凝胶的网络结构可起隔离网络的作用，其中的纳米孔洞也是一种纳米结构化。此外，气凝胶密度可低至0.04g/cm³，如果具有与高分子本体相当的热电性能，则其能量密度可提高25倍。因此，气凝胶可望为研制具有高热电转化效率的热电材料开辟一条新途径。目前研究较多且制备工艺成熟的有机气凝胶是酚醛气凝胶，而且酚醛气凝胶可经高温热解制备碳气凝胶，能提高其导电性能和耐高温性能。

    在基于传统的热电材料的基础上，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提供一种碳气凝胶作为热电材料的新方法，制备方法简单，环境友好，成本低，且制备的气凝胶能够结合Bi₂Te₃优良的热电性能。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种采用Bi₂Te₃掺杂碳气凝胶作为热电材料的新方法，制备方法简单，环境友好，成本低，且制备的气凝胶能够结合碳素材料优良的导电性能。

   为了解决上述问题，本发明公开了一种碳气凝胶的制备方法，包括：

    将碳纳米管加入水中，超声分散后得到均匀的碳纳米管分散液。

    将间苯二酚，甲醛，Na₂CO₃溶于水中，得到的溶液倒入碳纳米管分散液中，充分搅拌后超声。

    将盛装溶液的模具密封，交联老化1~10天得到气凝胶。打开模具取出气凝胶，冷冻干燥或超临界二氧化碳干燥后高温焙烧炭化，即得碳气凝胶。

    将BiCl3，Te粉，水合肼溶于水中，再将碳气凝胶放入混合溶液中，抽真空后放入120~150℃烘箱，反应8~15小时。

    将产物经水和乙醇充分洗涤后，于30~80℃干燥3~48小时，得到Bi₂Te₃掺杂的碳气凝胶。

    所述碳纳米管的浓度为5~100mg/ml。

    所述两次超声分散的超声功率为40~200W，超声温度为5~60℃。

    所述间苯二酚与甲醛的摩尔比为1:1~1:5，间苯二酚与Na₂CO₃的摩尔比为150:1~250:1。

    所述真空冷冻干燥时的温度0~30℃，干燥真空度为1~1000Pa。

    所述真空焙烧炭化化时的升温速率为1.5~3℃/min，真空度为0.5~20Pa。

    所述Bi₂Te₃掺杂的碳气凝胶干燥温度为30~80℃，时间为3~8小时。