超聲化學(xué)法合成納米Bi-,2-Te-,3-基熱電化合物.pdf

1、Bi2Te3及其合金的最高無(wú)量綱熱電優(yōu)值ZT接近于1，是目前室溫附近應(yīng)用得最好的熱電材料。納米結(jié)構(gòu)材料，如各種納米線和納米管，由于其熱導(dǎo)率的降低比電導(dǎo)率的降低更為顯著，材料的熱電優(yōu)值會(huì)顯著提高，而越來(lái)越引起人們的關(guān)注和研究。 本文采用超聲化學(xué)合成方法，以BiCl3、Te粉或Te化物為反應(yīng)前驅(qū)體，采用不同的合成工藝路線，制得Bi2Te3基納米粉末，應(yīng)用XRD、TEM等手段對(duì)合成粉末進(jìn)行了物相結(jié)構(gòu)和微觀形貌的分析。實(shí)驗(yàn)研究和討論了B

2、i2Te3超聲化學(xué)合成過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和形核長(zhǎng)大機(jī)制。最后采用真空熱壓技術(shù)，對(duì)部分Bi2Te3基納米粉末進(jìn)行熱壓，并測(cè)試了其熱電性能。本文主要取得以下研究結(jié)果。 1.以BiCl3和Te粉為原料，去離子水為溶劑，NaBH4為還原劑，NaOH為PH值調(diào)節(jié)劑，采用超聲化學(xué)合成方法制備了顆粒尺寸在20～30nm之間的Bi2Te3基熱電材料納米粉末。并研究了還原劑、反應(yīng)時(shí)間和添加劑EDTA對(duì)產(chǎn)物成分和微觀形貌的影響。研究表明，以NaB

3、H4為還原劑，250W功率超聲16h可以合成出單相Bi2Te3納米粉末。EDTA的添加對(duì)合成粉末的顆粒尺寸并無(wú)明顯影響，但EDTA的添加延長(zhǎng)了合成單相Bi2Te3納米粉末的時(shí)間。 2.對(duì)超聲化學(xué)合成過(guò)程中生成Bi2Te3納米晶體提出了可能的形核機(jī)制。一種是通過(guò)溶液中的Bi、Te原子(或離子)之間的化學(xué)反應(yīng)，形成單個(gè)Bi2Te3分子，并進(jìn)而通過(guò)分子之間的合并長(zhǎng)大，形成穩(wěn)定的Bi2Te3晶核。第二種可能的途徑是通過(guò)Bi原子(或離子)

4、與Te晶體之間的表面反應(yīng)或在Te晶體層間的插入反應(yīng)，形成Bi2Te3晶核。Bi2Te3晶體由于其晶格的各向異性特點(diǎn)，沿晶格基面的生長(zhǎng)比沿c軸方向生長(zhǎng)快得多，容易形成不規(guī)則多面體顆粒。 3.研究了Te源對(duì)超聲化學(xué)合成Bi2Te3納米管的影響，超聲功率為150W，反應(yīng)36h。分析發(fā)現(xiàn)，不同Te源都可以超聲合成出單相Bi2Te3納米粉末，但對(duì)粉末微觀形貌有很大影響。當(dāng)以Na2TeO3為Te源時(shí)，可以合成出Bi2Te3納米管，管子直徑約

5、20nm，長(zhǎng)約200nm，管壁厚約5nm。而當(dāng)以Te粉作為Te源時(shí)，合成的粉末全部由尺寸在20～30nm之間的顆粒組成。 4.以BiCl3和Na2TeO3為原料，去離子水為溶劑，NaBH4為還原劑，NaOH為PH值調(diào)節(jié)劑，添加絡(luò)合劑EDTA和分散劑SDBS，均可獲得單相Bi2Te3納米粉末。合成粉末由尺寸在10～30nm之間的顆粒組成。其中添加EDTA可以合成出納米管，管子直徑寬20～90nm，長(zhǎng)度100～300nm，管壁厚5～

6、10nm。 5.分析比較了超聲化學(xué)法和低溫濕化學(xué)法合成Bi2Te3納米粉末的區(qū)別。相同點(diǎn)為兩種方法設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作，反應(yīng)條件溫和。不同點(diǎn)為合成產(chǎn)物的形貌不一樣。相同原料配比，超聲化學(xué)法合成的Bi2Te3粉末含有納米管，低溫濕化學(xué)法合成的粉末形貌則為珠鏈狀顆粒。 6.熱電性能測(cè)試分析表明，超聲合成粉末經(jīng)熱壓得到試樣為n型材料，Seebeck系數(shù)隨著溫度的升高而降低，最大Seebeck系數(shù)數(shù)值出現(xiàn)在室溫附近，約為122μV