[发明专利]一种BiCuSeO热电材料的合成方法

说明书

本发明提供了一种BiCuSeO热电材料的合成方法，具体步骤为：1)以CuO、Bi和Se粉为原料，按化学计量比1:1:1称量，混合均匀得反应物；2)将反应物引发自蔓延燃烧反应，然后进行冷却或淬火，得BiCuSeO化合物；3)将所得BiCuSeO化合物研磨成粉，之后进行放电等离子烧结，得块状致密的BiCuSeO热电材料。本发明采用CuO/Bi/Se为原料，有效避开了以Bi₂O₃/Bi/Se/Cu为原料发生SHS反应时O原子占据Bi₂Se₃中Se原子6c位过程，使得燃烧波蔓延速度提高了约36％；制备的热电材料其热电性能优值ZT在873K达0.66，且原料成本低，为其大规模商业化应用奠定了重要基础。

技术领域

本发明属于新能源材料制备—燃烧合成技术领域，具体涉及一种BiCuSeO热电材料的合成方法。

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，能源危机和环境危机日益引发关注。目前，全球每年消耗的能源中约有70％以废热的形式被浪费掉，如果能将这些废热进行有效的回收利用，将极大的缓解能源短缺的问题。热电材料能直接将热能转换成电能，具有无传动部件、体积小、无噪音、无污染、可靠性好等优点，在汽车废热回收利用、工业余热发电方面有着巨大的应用前景。热电材料的转换效率由无量纲热电优值ZT(ZT＝α²σT/k其中α为Seebeck系数、σ为电导率、k为热导率、T为绝对温度)决定。ZT越大，材料的热电转换效率越高。但是三个参数之间相互耦合，协同优化热电性能极具挑战性。此外，高的原料成本及复杂的材料制备过程中的高能耗同样制约着热电材料的大规模应用。因此很多课题组致力于材料制备过程的优化，寻求价格便宜、丰度高的元素体系及开发超快速制备技术。

四元及以上化合物材料体系由于组元较多，具有复杂的晶体结构，这恰恰满足“声子玻璃”的要求，为热电性能的优化提供了更多的机遇。近几年，备受关注的四元硒氧化合物BiCuSeO具有优越的热电性能，远高于Na_xCoO₃、Ca₃Co₄O₉、SrTiO_3-δ等传统的氧化物热电材料。因为其具有组成元素价格低廉、绿色无毒等特点，同时具有良好的高温热稳定性及化学稳定性，使得其在中高温发电领域具有巨大的应用潜力。

目前材料领域研究者合成BiCuSeO基热电材料是将Bi₂O₃/Cu/Se/Bi原料按化学计量比称量后，采用机械球磨(250rpm/8h)结合两步固相反应(573K/8h+1023K/24h)的办法。能源消耗大，制备周期长，对设备要求高、投入大，成分难以精确控制，单次制备的量很少。武汉理工大学唐新峰等人(CN 103910339 B)发现采用Bi₂O₃/Cu/Se/Bi为原料即能通过自蔓延燃烧合成技术(SHS)超快速制备，燃烧波蔓延速度约为0.94mm/s。这在燃烧合成领域是一个极低的蔓延速度(通常为1-150mm/s)，点火条件要求高。当大规模生产时，一但点火条件控制不当极易造成中途熄灭的事故，使得反应不完全，得不到纯净的目标产物。

因此，进一步提高BiCuSeO体系的燃烧波蔓延速度，宽泛点火要求是其工业化商业应用的重大需求，不仅能提高材料制备速度、降低成本，更能降低质量事故的发生率。

发明内容

本发明的目的是提供一种BiCuSeO热电材料的合成方法，该方法具有反应速度快、工艺简单、成本低、重复性好和高效节能等特点，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种BiCuSeO热电材料的合成方法，它包括如下步骤：

1)以CuO、Bi、Se粉为原料(CuO/Bi/Se)，按化学计量比1:1:1称量，混合均匀得反应物；