[發明專利]PbTe立方顆粒/石墨烯復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201210254645.9
• 申請日: 2012-07-23
• 公開（公告）號: CN102760829A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發明（設計）人: 謝健;屠芳芳;劉雙宇;朱鐵軍;曹高劭;趙新兵
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L37/02
• 分類號: H01L37/02
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 鄭紅莉

技術領域

本發明涉及熱電用復合材料領域，具體涉及一種PbTe立方顆粒/石墨烯復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

熱電材料是一種通過載流子(電子或空穴)的運動實現電能和熱能直接相互轉換的半導體材料。當熱電材料兩端存在溫差時，熱電材料能將熱能轉化為電能輸出；或反之在熱電材料中通以電流時，熱電材料能將電能轉化成熱能，在一端吸熱而在另一端放熱。熱電材料在發電或制冷領域有著廣泛的應用前景。使用熱電材料的熱電發電裝置可作為空間探測器、野外作業、海洋燈塔等使用的移動電源，或用于工業余熱、廢熱發電。用熱電材料的制冷器件可應用于小型冷藏箱、計算機芯片和激光探測器的局部冷卻、醫用便攜式超低溫冰箱等。

熱電材料的性能用“熱電優值”Z表征：Z＝(α²σ/κ），其中α是材料的塞貝克系數，σ是電導率，κ是熱導率。PbTe基化合物是目前性能較好的中溫熱電材料之一，但其熱電性能仍有待進一步提高。現有的改進方法如：中國專利申請CN201110348909.2公開了一種在PbTe或PbSe中添加微量元素鋁的熱電材料，在PbTe或PbSe基體上添加微量金屬Al，其組成配方為(摩爾比)：Pb∶Te∶Al＝1∶1∶(0.001-0.05)；Pb∶Se∶Al＝1∶1∶(0.001-0.05)。采用熔融法或機械合金法制備的“在PbTe或PbSe中添加元素鋁的熱電材料”，是在PbTe(碲化鉛)或PbSe(硒化鉛)基體上添加元素鋁。元素鋁在PbTe(碲化鉛)或PbSe(硒化鉛)中形成共振能級，提高了材料Seebeck系數，從而提高了材料熱電優值Z，在溫差發電、固體制冷上將具有潛在的應用價值。

另外，將PbTe晶粒納米化是提高其熱電性能的一種有效方法。這是因為通過晶粒納米化，產生的晶界能有效地對聲子進行散射，從而降低其熱導率κ。如中國專利ZL02121431.X中公開了一種納米級金屬碲化物的制備方法，該方法以鉍、錫或鉛的硝酸鹽或氯化鹽及單質Te為原料，N，N-二甲基甲酰胺為溶劑，在堿和還原劑存在的條件下于100℃-180℃反應合成納米級熱電材料MxTey(M＝Bi、Sn、Pb)及以Bi₂Te₃或PbTe為基的摻雜Pb或Sn化合物；通過反應條件的控制，可方便地獲得球形、方形及棒狀納米晶體粒子，其粒徑小于100納米；所制備的Bi₂Te₃、PbTe為基的化合物經燒結后分別是室溫、中溫區熱電轉換效率最高的熱電材料。但納米晶粒在熱處理過程中易團聚、燒結，從而弱化對聲子的散射，不能體現納米材料的優勢。

發明內容

本發明提供了一種熱電性能良好的PbTe立方顆粒/石墨烯復合材料。

本發明還提供了一種PbTe立方顆粒/石墨烯復合材料的一步制備方法，該方法工藝簡單，能耗低、成本低，所得產物顆粒尺寸細小且分布均勻。

一種PbTe立方顆粒/石墨烯復合材料，由納米級PbTe立方顆粒和石墨烯(G)組成。即所述的復合材料具有PbTe/G的組成。

為了進一步提高復合材料的應用性能，所述的復合材料中石墨烯的重量百分含量優選為0.1％～2％，進一步優選為0.16％～1.9％。

由于顆粒越小，越易覆載于石墨烯上，復合材料的導電性性能越好，另外顆粒越小，晶界越多，對聲子的散射越強，熱導越低，熱電性能就越好，因此本發明選用納米級PbTe立方顆粒，優選，所述的納米級PbTe立方顆粒的直徑為200納米。

優選，所述的復合材料中納米級PbTe立方顆粒呈均勻分散。

所述的PbTe立方顆粒/石墨烯復合材料的制備方法，為一步水熱法或一步溶劑熱法。

為了達到更好的發明效果，優選：

所述的PbTe立方顆粒/石墨烯復合材料的制備方法，包括以下步驟：

1)以單質碲(Te)或含碲的化合物與含鉛(Pb)的化合物為原料，按照PbTe的化學計量比(即Pb與Te的原子比1∶1)混合于去離子水或有機溶劑中，得到以PbTe計濃度為0.015mol/L～0.15mol/L的混合溶液；

2)在步驟1)的混合液中加入氧化石墨烯(GO)經充分超聲分散后再加入還原劑和堿性調節劑調節pH值至8～12，然后于密封環境中在100℃～250℃反應12小時～72小時后冷卻，收集固體產物，經去離子水和無水乙醇交替反復洗滌，干燥，得到PbTe立方顆粒/石墨烯復合材料；

所述的氧化石墨烯的加入量為PbTe重量的0.4％～5％；