[發明專利]一種n型PbTe基熱電材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010631093.3
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111799360B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 張建;朱晨;黃露露;秦曉英
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: H01L35/18
• 分類號: H01L35/18;H01L35/16;H01L35/34
• 代理公司: 合肥市長遠專利代理事務所(普通合伙) 34119
• 代理人: 楊霞

本發明提出了一種n型PbTe基熱電材料，通過Bi摻雜PbTe并引入原位共格納米相Cu_1.75Te，由此所獲得的熱電材料最高熱電優值ZT在623K時高達1.4，平均ZT高達1.0(300?773K)，因此可以極大地提升熱電材料廢熱發電以及熱電制冷方面的應用效率，與此同時，本發明所述熱電材料的制備方法還具有工藝簡便、易于規模化生產和實用性強等優點。

技術領域

本發明涉及熱電材料的技術領域，尤其涉及一種n型PbTe基熱電材料及其制備方法。

背景技術

熱電材料可在熱能與電能之間進行直接轉換，具有體積小、可靠性高、不排放污染物、適用溫度范圍廣、環境友好等特點，十分適用于廢熱的回收利用。熱電轉換技術實際上是利用半導體熱電材料的塞貝克效應(Seebeck)和帕爾帖效應(Peltier)來實現熱能和電能之間的直接轉換的。

熱電材料的性能由無量綱參數熱電優值ZT＝S²σT/κ來表征。提高電導率σ和熱電勢S，同時降低熱導率κ(κ是載流子熱導率κe和聲子熱導率κL之和)是材料優化的關鍵。但該三個物理量相互關聯：這三個量實質上是由內在的電子能帶結構和電子或空穴的散射所決定，這使得性能的優化受到實際的限制。

PbTe是最好的中溫熱電材料之一，廣泛應用于工廠廢熱回收、發動機廢熱回收等領域。據我們所知，近年來p型PbTe基熱電材料的ZT值有了很大的提高，例如wu等人將ZT值提高到2以上。但與p型相比，n型PbTe的ZT值相對較低。值得注意的是，有必要通過開發p型和n型PbTe的良好匹配性能來最大限度地提高熱電設備的效率。因此，對n型PbTe材料的研究迫在眉睫。

發明內容

基于背景技術存在的技術問題，本發明提出了一種n型PbTe基熱電材料，通過Bi摻雜PbTe并引入原位共格納米相Cu_1.75Te，由此所獲得的熱電材料最高熱電優值ZT在623K時高達1.4，平均ZT高達1.0(300-773K)，因此可以極大地提升熱電材料廢熱發電以及熱電制冷方面的應用效率，與此同時，本發明所述熱電材料的制備方法還具有工藝簡便、易于規模化生產和實用性強等優點。

本發明提出的一種n型PbTe基熱電材料，所述熱電材料含有Pb_1-xBi_xTe和Cu_1.75Te的合金，以熱電材料的總質量為100％計，Cu_1.75Te的質量分數為f％，其中x＞0，f≥0。

該熱電材料中，Pb_1-xBi_xTe來源于PbTe基熱電材料中部分Pb元素等摩爾替換為Bi元素，Cu_1.75Te產生于放電等離子體燒結過程中，CuO納米顆粒在還原性氣氛中被還原為Cu，隨之與PbTe反應生成了Cu_1.75Te。

優選地，所述熱電材料的化學組成為：Pb_1-xBi_xTe+f wt％Cu_1.75Te，其中0＜x≤0.02，0＜f≤1.72。

優選地，0.0025≤x≤0.005，0.86≤f≤1.72。例如x可以取值為0.0025、0.003、0.0035、0.004、0.0045、0.005，f可以取值為0.86、0.9、1.1、1.29、1.5、1.72。

本發明還提出了上述n型PbTe基熱電材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)按照化學式Pb_1-xBi_xTe的化學計量比將單質Pb、Bi、Te混合后熔煉，得到組成為Pb_1-xBi_xTe的融錠，其中x＞0；

(2)將步驟(1)得到的組成為Pb_1-xBi_xTe的融錠和CuO納米顆粒按配比混合，研磨后得到混合均勻的復合粉末；