CaMnO3热电材料的制备与改性研究

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氧化物热电材料以其高温耐氧化的独特性能,在新能源领域有重要的应用价值。CaMnO3是一种很有潜力的n型高温氧化物热电材料。CaMnO3的Seebeck系数较高,但电阻率也较高,因此热电优值并不高,通过掺杂调节载流子浓度可以很好地改善CaMnO3的热电性能。本文选取不同元素针对CaMnO3的A位和B位进行掺杂,期望进一步改善CaMnO3的热电性能。本文采用固相反应法合成CaMnO3粉体,分别对A位掺杂Ce、Y、La元素,B位掺杂Mo元素以及A、B位进行Pr-Cu共掺杂、Ce-Cu共掺杂,研究了掺杂量对CaMnO3热电性能的影响,并用ZEM-3测试仪、LFA457测试仪测试了材料的热电性能,用自制的热电功率测试装置测试单臂元件的输出功率,同时运用XRD进行材料的结构分析。结果表明:掺杂后的材料仍具有单相钙钛矿结构,空间点群仍为Pnma;掺杂只是引起了晶格畸变,并未改变其晶体结构。A位Ce、Y、La掺杂,均在一定程度上提高了CaMnO3的热电性能。掺杂后,电阻率和Seebeck系数有明显下降,热导率也呈减小的趋势,输出功率有所提高。A位Ce掺杂量为0.03样品的功率因子(PF)为8.82×10-5W·m-1·K-2,ZT值为0.08,样品最大输出功率为71mW,未掺杂样品的最大输出功率为14mW;A位Y掺杂量为0.07样品的PF为8.04×10-5W·m-1·K-2,ZT值为0.08,最大输出功率为68mW;A位La掺杂量为0.04样品的PF为8.60×10-5W·m-1·K-2,ZT值为0.11。B位Mo掺杂也在一定程度上提高了CaMnO3的热电性能。掺杂后,电阻率、Seebeck系数以及热导率都下降了,功率有所提高。在测试温度为973K时,Mo0.02样品的PF为1.01×10-4W·m-1·K-2,ZT为0.08。在测试温度约为600℃时,Mo0.02样品的最大输出功率为68mW。共掺杂,包括A位掺Pr、B位掺Cu以及A位掺Ce、B位掺Cu,显著的降低了CaMnO3块体的电阻率,前者性能最优的样品是Pr0.01-Cu0.05,在测试温度为973K时,PF为8.31×10-5W·m-1·K-2,ZT值为0.08;后者性能最优的样品是Ce0.05-Cu0.02,在测试温度为973K时,PF为1.04×10-4W·m-1·K-2,ZT值为0.08。
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