[发明专利]一种制备CsBi4Te6热电材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料科学技术领域，尤其是涉及一种制备CsBi₄Te₆热电材料的方法。

背景技术

热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的绿色环保型功能材料。根据工作温区一般可将热电材料划分为低温(<500K)、中温(500～900K)和高温区(>900K)热电材料。热电材料的性能可用热电优值ZT来表征，其计算公式为ZT＝(S²σ)T/κ，ZT越大，材料的性能越好。式中S是材料的塞贝克系数，σ是电导率，T是绝对温度，κ是总的热导率。目前，低温热电材料在冰箱制冷、电子器件冷却以及红外探测等方面具有很大的潜在市场，其中p型半导体CsBi₄Te₆是性能出众的低温热电材料代表之一，该材料的主要结构特征是由Bi与Te形成二维的层状结构，Cs填充于层与层之间，其ZT值在225K时达到最大值0.82。

2004年，美国西北大学的Kanatzidis,M.G.课题组报道了CsBi₄Te₆化合物的四种合成方法(J.Am.Chem.Soc.2004,126,6414–6428)。该四种方法无一例外的涉及到需要Cs单质或二元Cs₂Te化合物作为反应起始物，这些实验操作复杂，成本高昂，而且存在一定的危险性，需要特殊的反应装置，例如Cs单质不能与Te接触，否则会发生爆炸。而二元Cs₂Te化合物的合成需要液氨条件以及在特殊装置中进行，同时该二元产物在空气中不稳定、难于保存，因此造成制备原料难求的困难。鉴于以上原因，在随后的十几年里，关于CsBi₄Te₆的合成没有任何新的进展。

发明内容

为了解决现有技术中制备CsBi₄Te₆材料时存在的危险性高、原料不易制备和保存且成本高昂、操作复杂的问题，本发明提供了一种制备CsBi₄Te₆热电材料的方法，该方法可以一步合成多晶材料，操作简便、产率高且成本低。

本发明的技术方案如下：

一种CsBi₄Te₆材料的制备方法，包括：将稀土元素RE、CsX、Bi和Te混合，在高温下制备得到CsBi₄Te₆材料。

根据本发明，X为卤素。优选X为Cl、Br或I。

根据本发明，CsX为CsCl。

根据本发明，稀土元素RE作为还原剂。CsCl作为助熔剂并提供Cs源。化合物CsCl性能稳定，并且其它原料也均是稳定的。

根据本发明，原料中所采用的稀土元素RE例如可以是选自La、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Lu中的一种或多种。

根据本发明，在稀土元素RE、CsCl、Bi和Te四种原料混合物中，其摩尔比优选为RE:CsCl:Bi:Te＝1:(6～18):12:18。例如可以为Pr:CsCl:Bi:Te＝1:12:12:18，或者摩尔比也可以为La:CsCl:Bi:Te＝1:6:12:18；或者Nd:CsCl:Bi:Te＝1:18:12:18。

根据本发明，在上述制备方法中，所述高温反应的温度优选大于700℃，例如800～1200℃，更优选900～1100℃。反应时间优选大于30小时，例如30～100小时，更优选为40～60小时，例如50小时。所述高温反应优选在真空气氛下进行。

进一步优选地，将原料混合物置于真空氛围下加热至900℃，保温50小时。

根据本发明，保温处理后，还包括降温步骤，将混合物以不超过5℃/小时的速率降温至300℃，停止加热，自然冷却至室温。

根据本发明，将上述方法中高温制备的产物冷却后，再经过洗涤干燥。优选采用水进行洗涤。

在本发明的一个优选实施方案中，将所述原料混合物置于真空氛围下加热至700℃以上，保温至少50小时，产物经过多次洗涤干燥后,即得到CsBi₄Te₆热电材料。

由本发明制备方法制备的CsBi₄Te₆热电材料是性能出众的低温热电材料，该材料的主要结构特征是由Bi与Te形成二维的层状结构，Cs填充于层与层之间，其ZT值在225K时可达到最大值0.82。