[发明专利]一种PbSb共掺杂BiCuSeO基热电材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种PbSb共掺杂BiCuSeO基热电材料及其制备方法，属于能源转换技术领域。按照Bisubgt;0.94‑x/subgt;Pbsubgt;0.06/subgt;Sbsubgt;x/subgt;CuSeO(0≤x≤0.035)的化学计量比称取Bisubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;、Bi、Cu、Se、Pb、Sb粉，在玛瑙研钵中混合均匀，再采用高温烧结、退火的样品制备工艺，获得PbSb共掺杂BiCuSeO基热电材料。用玛瑙研钵将烧结后的材料研磨至粉末状，将粉末装入石墨模具中，在600℃、70 MPa下快速热压30 min，得到Bisubgt;0.94‑x/subgt;Pbsubgt;0.06/subgt;Sbsubgt;x/subgt;CuSeO块体热电材料。本发明制备的热电材料降低了Bisubgt;0.94/subgt;Pbsubgt;0.06/subgt;CuSeO的热导率，并实现了塞贝克系数的显著提高，从而显著增强了BiCuSeO基材料的热电性能。

技术领域

本发明属于能源转换技术领域，具体涉及一种PbSb共掺杂BiCuSeO基热电材料及其制备方法。

背景技术

热电材料作为一种绿色新型能量转换材料，不仅可以利用热能进行发电，还可以利用电能进行制冷或制热，因此受到广泛关注和研究。热电材料的性能由无量纲热电优值ZT评估，ZT值越大，代表热电材料的性能越好，热电转换效率越高。其表达式为ZT＝S²σT/κ_t，其中σ、S、κ和T分别为电导率、塞贝克系数、热导率以及绝对温度。由于S、σ二者具有强耦合作用，呈现“此消彼长”的关系，难以单独调控，所以提升ZT的方法主要包括提高功率因子（S²σ）和降低材料的总热导率κ_t。提高材料的功率因子主要方法有载流子浓度优化、能带工程等。热导率κ_t主要由电子热导率κ_e和晶格热导率κ_l组成。由电子热导率公式κ_e=LσT (L是洛伦兹常数) 可以看出，κ_e与σ呈正比关系，高的σ会导致高的κ_e，所以电子热导率并不能独立调控。晶格热导率是一个相对独立的可调控的参数，可以通过增加声子散射源，降低声子的弛豫时间，从而降低晶格热导率，最终达到调控热导率的目的，目前降低热导率的方法主要有缺陷掺杂、球磨纳米化等。

BiCuSeO作为一种氧化物热电材料，具有独特的（Bi-O）绝缘层和（Cu-Se）导电层，这种特殊的层状结构使它具有一些不同于其他热电材料的特性，可以为热电性能的协同优化提供一个良好的平台，并且原料价格低廉，有良好的化学和热稳定性，具有良好的应用前景。但是，由于BiCuSeO本征的低电导率，致使BiCuSeO的原始性能并不具有明显的优势。目前多数研究聚焦对电导率的提升，但同时带来了热导率和塞贝克系数的恶化。如Hong等人通过NaMg共掺杂BiCuSeO，虽然使电导率大幅提升但是也引起了塞贝克系数下降（Ceram.Int., 2022, 48(14), 19618-19625）；专利（CN 112723874A 一种优化BiCuSeO基热电材料性能及其织构助剂）通过引入Cu₂Se来降低Bi_0.94Pb_0.06CuSeO的热导，但是其电学性能并未得到优化，所以热电优值提升幅度小。因此，本申请应用载流子浓度优化及带结构调控策略，采用固相烧结制样，再结合快速热压工艺，通过PbSb共掺杂实现了BiCuSeO塞贝克系数的显著提升以及热导率的降低，协同优化了BiCuSeO的热电性能。其中Bi_0.925Pb_0.06Sb_0.015CuSeO样品在873 K时的ZT值为1.23，比对照例样品Bi_0.94Pb_0.06CuSeO提高了50%。

到目前为止，利用PbSb共掺杂实现BiCuSeO热电性能增强的调控策略未见报道。

发明内容