PbTe-石墨烯納米復(fù)合熱電材料的低溫濕化學(xué)法制備及熱電性能研究.pdf

1、熱電材料作為一種新型的、環(huán)境友好型的潔凈能源材料一直以來備受國內(nèi)外研究者的關(guān)注。目前提高熱電材料性能的途徑主要有摻雜、固溶、結(jié)構(gòu)納米化和微納復(fù)合等等，這些研究主要集中在調(diào)節(jié)載流子濃度，提高載流子有效質(zhì)量和降低晶格熱導(dǎo)率等方面，但并未充分考慮和研究載流子的遷移率對熱電性能的影響，然而材料的電性能，即功率因子P（α2σ)∝m*μ，與載流子遷移率密切相關(guān)。石墨烯是一種獨特的二維材料，自2004年被報道以來受到了廣泛的關(guān)注，有研究表明石墨烯復(fù)合

2、可以為電子提供額外的傳輸通道，提高復(fù)合產(chǎn)物的電導(dǎo)率，但迄今為止將石墨烯應(yīng)用于熱電領(lǐng)域的研究尚未見報道。
　　 本研究選擇具有高載流子遷移率的石墨烯與具有大載流子有效質(zhì)量的PbTe熱電化合物進行納米層次復(fù)合，以期使復(fù)合熱電材料中的載流子既具有高的遷移率又有大的有效質(zhì)量，大幅度提高其功率因子，同時通過納米復(fù)合大幅度降低晶格熱導(dǎo)率，從而獲得高性能的納米復(fù)合熱電材料。
　　 本文探索了采用簡單易控的低溫濕化學(xué)法制備PbTe/石墨

3、烯復(fù)合熱電材料的可能性和工藝參數(shù)，研究了復(fù)合材料的形成機理，探索了復(fù)合材料的致密化工藝，系統(tǒng)研究了石墨烯復(fù)合量以及Pb/Te比對樣品的相組成、微結(jié)構(gòu)和載流子濃度、載流子遷移率、晶格熱導(dǎo)率等電熱輸運特性的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論:
　　 以改性的Hummers法制備的氧化石墨為前驅(qū)體，用低溫濕化學(xué)法一步還原得到了PbTe與石墨烯原位復(fù)合材料，20～60nm的PbTe顆粒均勻的分布在石墨烯的上下表面。反應(yīng)的前驅(qū)體氧化石墨(GO)作

4、為陽離子的二維吸附模板和分散劑，首先加入的鉛源因靜電吸附和化學(xué)吸附被吸附在氧化石墨烯薄膜表面并形成均勻的水白鉛礦等含鉛礦物，隨后加入碲源和還原劑，PbTe形成的同時GO也被還原成石墨烯，納米顆粒PbTe原位鑲嵌在石墨烯的上下表面，形成插層復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)工藝條件獲得了復(fù)合粉體的最佳合成條件，經(jīng)還原熱處理結(jié)合SPS燒結(jié)技術(shù)可以得到致密的塊體材料。
　　 系統(tǒng)研究了PbxTe100-x/G-y復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)與熱電性能:微結(jié)構(gòu)

5、分析表明經(jīng)石墨烯復(fù)合后塊體中的PbTe晶粒長大受到抑制，所有復(fù)合樣品中PbTe顆粒都小于1微米。隨著石墨烯復(fù)合量的增加，材料的電導(dǎo)率逐漸增加，而Seebeck系數(shù)逐漸減小;相對未復(fù)合的樣品而言，復(fù)合樣品電性能都大幅提高，其中x=50，y=7的樣品功率因子達0.8 mW/mK2，是未復(fù)合樣品的8倍。電導(dǎo)率的提高主要是由于石墨烯復(fù)合提高了載流子濃度的同時也改善了材料的遷移率。經(jīng)石墨烯復(fù)合后材料的熱導(dǎo)率尤其是晶格熱導(dǎo)率大幅降低，且遠低于傳統(tǒng)物