CdO基热电材料的制备与性能优化研究

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热电材料可以直接实现热能和电能之间的相互转化,在热电制冷和热电发电领域具有广阔的发展前景,因此受到了广泛的关注。氧化物热电材料在高温氧化氛围下具有良好的化学稳定性和热稳定性,对工作环境要求低,并且原料成本低廉、制备工艺简单,在中高温环境下具有较大的应用价值。本论文主要研究了n型氧化镉(CdO)热电材料,通过ZnO、ZnCO3、Cu单质掺杂从不同方面优化了CdO材料的电学性能和热学性能,从而提升CdO热电转换效率。本论文的研究内容主要包括以下三个方面:1、ZnO掺杂对CdO材料的热电性能调控。在掺杂ZnO过程中,引入的Zn2+离子部分进入间隙位或Cd2+空位,导致载流子浓度提高,电导率增加,优化了功率因子(PF);另外Zn2+掺杂引入的点缺陷、富Zn第二相和增加的晶界加强了声子散射,有效的降低CdO陶瓷的热导率,功率因子和热导率同时得到优化,最终CdO材料的热电优值(ZT)提升了32%。2、通过ZnCO3和CdO的共烧结过程,制备了具有多孔结构的Zn2+掺杂CdO陶瓷,在保持功率因子的同时,进一步降低了晶格热导率,ZT值相比本征CdO提高了53%。以ZnCO3替代ZnO作为掺杂源,其具有两点优势:(1)、ZnO的熔点较高(2248 K),而ZnCO3在573 K分解为ZnO和CO2,可以增加Zn2+离子固溶度;(2)、ZnCO3分解产生的CO2使样品孔隙率上升,增加的微孔可以作为散射中心散射中长波波长声子,使热导率进一步降低。3、利用金属Cu和CdO共烧结,制备了载流子浓度基本保持不变,但迁移率提升两倍的CdO?Cux复合陶瓷,优化了样品的功率因子,最终CdO材料的热电性能得到提升。在该样品中,CdO晶粒之间未氧化的Cu颗粒可能作为载流子通道,增加载流子迁移率。
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