[发明专利]一种钡铜硫基热电材料及其制备方法

说明书

本发明公开了属于热电材料技术领域的一种钡铜硫基热电材料及其制备方法，该材料结构式为BaCu_4‑xS₃，其中元素含量x的变化范围为0.01≤x≤0.3。本发明以硫化亚铜粉末、硫化钡粉末和硫粉为原料，按照BaCu_4‑xS₃的化学计量比，即钡：铜：硫＝1：(4‑x)：3分别称取对应化学计量比重量的硫化亚铜粉末、硫化钡粉末和硫粉；通过真空密封、高温化合、退火、研磨得到热电粉体材料。通过放电等离子烧结后得到块体材料。本发明制备热电材料具有制备简单、成本低等优点，同时克服了传统热电材料碲化铋、碲化铅等组成元素毒性大的缺点，其在500℃下的热电优值达到了0.37。因此，本发明新的热电材料具有良好应用前景。

技术领域

本发明属于热电能量转换材料技术领域。特别涉及一种钡铜硫基热电材料及其制备方法。

背景技术

热电转换材料是一种固态清洁能源材料。该种材料能够利用赛贝克效应和帕帖尔效应进行热能和电能的直接相互转换。赛贝克效即是温度的差异来驱动载流子从高温端向低温度做扩散运动，并在低温端聚集，利用高温端与低温端所形成的电压差进行发电。帕帖尔效应即是利用电势差驱动载流子在不同能级的材料之间运动，从而在不同能级的材料接头处吸热。这种发电或制冷技术，具有无运动部件、无污染排放、不产生噪声等优点，可以应用于各种电子器件的制冷、工业废热回收、汽车发动机的余热发电等。目前，应用较多的热电材料为碲化铋、锑化钴、碲化铅及硅锗，分别适用于常温区、中温区及高温区。它们通常具有较高的电导率和赛贝克系数，较低的热导率等特点。上述广泛使用的热电材料通常由稀有、昂贵或有毒的重元素如铋、铅、碲、钴、锑等组成，而真正的实用化需要大量低成本、环保、无毒的热电材料。

最近几年，铜基硫族化合物，化学式为Cu₂X，其中，X为硫、硒和碲，它们展现了优异的热电性能，并得到了广泛研究。相比于硒、碲，硫的毒性低、地球含量丰富且成本低，因此，铜硫基化合物更具实用价值。因此，对铜硫基热电材料的研究尤为迫切。根据Mahan-Sofo理论，费米能级附近的态密度越高对赛贝克的提高越有利，因此开发具有高的能带简并度的铜硫基热电材料是十分迫切的。

发明内容

本发明的目的是提出一种钡铜硫基热电材料及其制备方法，其特征在于，所述钡铜硫基热电材料的化学结构式为BaCu_4-xS₃，其中，0.01≤x≤0.3。

所述钡铜硫基热电材料的制备包括以下步骤：

1)按照化学计量比，即钡：铜：硫＝1：(4-x)：3，其中，0.01≤x≤0.3，分别称取对应化学计量比重量的硫化亚铜粉末、硫化钡粉末和硫粉，并移入钽管中。将该钽管置于石英管中，并进行真空密封，真空度10^-6Pa-0.1Pa；

2)将该石英管置于电炉中，加热到800℃，并在527℃下退火48小时，然后自然冷却到室温，将石英管中所得到的粉末在研钵中研磨或通过球磨制成微米到纳米级别的热电材料粉末；

3)通过在真空或惰性气氛下，放电等离子烧结5-10分钟加热至500℃，在压力40-60MPa下保持5-10分钟，即得到BaCu_4-xS₃热电块体材料，其中，0.01≤x≤0.3。

本发明的有益效果是本发明制备的热电材料具有制备工艺简单、成本低等优点，同时克服了传统热电材料碲化铋、碲化铅等组成元素毒性大的缺点，其在500℃的热电优值达到了0.37。因此，本发明具有良好应用前景。

附图说明

图1是制备的BaCu_3.96S₃及BaCu_3.92S₃热电材料粉末X射线衍射图。