[發明專利]聚對苯撐納米顆粒復合ZnO基熱電材料體系的制備方法

有效

• 申請號: 201110379452.1
• 申請日: 2011-11-24
• 公開（公告）號: CN102496677A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 吳子華;謝華清;曾慶峰;殷銘;楊天靈
• 申請（專利權）人: 上海第二工業大學
• 主分類號: H01L35/34
• 分類號: H01L35/34;H01L35/14;H01L35/24;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 上海東創專利代理事務所(普通合伙) 31245
• 代理人: 寧芝華

技術領域

本發明涉及一種聚對苯撐納米顆粒復合ZnO基熱電材料體系的制備方法，屬于新型能源材料制備技術領域。

背景技術

隨著能源和環境問題的日益突出，工業生產、交通運輸以及居民生活釋放出來的大量廢熱的再利用問題受到人們越來越高度的關注。利用基于熱電材料制備的器件進行溫差發電是對汽車尾氣和垃圾焚燒產生的高溫余廢熱利用的有效途徑之一。熱電發電技術與常用的有工質循環的發電裝置相比，具有結構簡單、無運動部件、壽命長、組合方便等優點，有望在人類生活的各個方面發揮巨大的作用，但是，熱電材料轉換效率低是它的致命弱點，一般只有卡諾效率的10％～20％，要提高轉換效率，關鍵在于尋求高性能的熱電材料。材料熱電發電效率指標一般用無量綱優值系數(figure?of?merit)ZT值進行描述，ZT值由熱電材料的賽貝克系數S、電導率δ、導熱系數k和絕對溫度T決定，其表達式為ZT＝(S*S*δ*T)/k。ZT值越大，表示材料的熱電轉換效率越高。隨著研究的逐漸深入，單一體系的熱電材料性能的提高變得越來越困難，因此納米復合熱電材料的研究開始受到人們的關注。但是傳統熱電材料中大量使用Pb、Bi、Sb、Te等活潑金屬元素，存在加工制備困難、價格昂貴、資源稀少、容易造成環境污染和高溫下易被氧化導致性能劣化等問題。對于大部分余廢熱回收利用，熱電發電元件需要在高溫大氣環境中工作，因此需要元件具有耐氧化性能。而金屬氧化物一般在大氣中高溫下也能穩定存在，毒性低且價格便宜，已確定低成本的制造過程，因此金屬氧化物有望成為廣泛實用化的熱電材料。然而，氧化物熱電材料往往熱導率較大，優值系數不易提升，使其應用受到限制。

發明內容

本發明的目的在于提供一種聚對苯撐納米顆粒復合ZnO基熱電材料體系的制備方法。通過合成納米結構，在沒有明顯增加電子散射，即沒有明顯改變材料電導率的前提下，顯著增加聲子的界面散射，可望大大降低材料的熱導率；充分發揮導電聚合物較低的熱導率、較高的電導率和無機材料較高的塞貝克系數等優點，提高納米復合材料體系的熱電性能，以克服傳統熱電材料由于使用活潑金屬元素，導致加工制備困難、價格昂貴、資源稀少、容易造成環境污染和高溫下易被氧化等問題，而氧化物熱電材料熱導率較大，優值系數不易提升，使其應用受到限制等弊端。

本發明技術方案是這樣實現的：

聚對苯撐納米顆粒復合ZnO基熱電材料體系的制備方法，其特征在于按以下步驟制備：

A)利用強酸或高能機械球磨對聚對苯撐納米顆粒進行前期處理，提高納米顆粒的分散性，具體方法為：將聚對苯撐納米顆粒加入到濃度為85％以上的硫酸中，在20～50℃溫度下攪拌5～10分鐘，然后過濾、洗滌、干燥，將所得樣品在高能球磨機上球磨0.5～4小時；

B)按摩爾比0.1～10％比例將待摻雜離子的醋酸鹽及2.20g醋酸鋅溶入500ml一縮二乙二醇，加入20ml水，在160～170℃溫度下攪拌10分鐘，待出現白色沉淀后靜置2小時，制得ZnO溶膠；

C)將A)處理后的聚對苯撐納米顆粒加入ZnO溶膠并攪拌，然后在超聲條件下分散30分鐘，升溫至160～170℃反應1小時；

D)將步驟C)所得產物用無水乙醇和去離子水洗滌多次，最后在100℃下干燥，得到納米粉末材料；

E)納米粉末材料經放電等離子燒結制得塊體聚對苯撐納米顆粒復合ZnO基熱電材料，燒結的條件為800～1000℃，燒結5～10min，壓力為40～60MPa。

所述的待摻雜離子的醋酸鹽包括醋酸鋁、醋酸鐵、醋酸鈷、醋酸鎳、醋酸銀、醋酸金中的任意一種。

所述的待摻雜離子為鋁離子、鐵離子、鈷離子、鎳離子、銀離子或金離子中任意一種離子。

本發明通過溶膠法與放電等離子相結合的方法合成導電聚合物納米顆粒復合ZnO基熱電材料，通過在ZnO納米材料中引入絮狀的導電聚合物顆粒，顯著增加聲子的界面散射，可大大降低材料的熱導率；利用導電聚合物較低的熱導率、較高的電導率和無機材料較高的塞貝克系數等優點，提高納米復合材料體系的熱電性能。

本發明采用溶液化學法(溶膠法)合成ZnO及其摻雜的氧化物基納米復合熱電材料，該材料的制備方法簡單易行、反應溫度低、反應時間短、能耗低、化學均勻性好等特點，而且容易推廣到其它的材料體系。

附圖說明

圖1聚對苯撐復合ZnO塊體XRD圖；

圖2聚對苯撐復合ZnO粉末SEM圖；

圖3聚對苯撐復合Zn0.925Co0.075O塊體XRD圖；