论文部分内容阅读
随着社会地快速发展,能源危机和环境污染等问题日益严重。化石燃料能源地不断消耗将产生大量有害气体（例如二氧化碳和一氧化碳）,导致地球生态系统严重恶化。人们对于开发绿色、可持续能源和新型能量转换技术的愿望越来越强烈。热电材料能够在静态过程中直接进行热能和电能的互相转换,是一种被寄予厚望的新型环保材料。由于无毒、元素分布广泛及优异的高温稳定性等优点,近年来有关Bi2Ba2Co2Oy和Ca3Co4O9+δ等层状Co基氧化物热电材料的研究越来越多。但层状Co基氧化物热电材料相对合金基热电材料的(5值仍旧较低,存在较大的提升空间。通过元素替代、第二相材料复合以及改善制备工艺等途径能够有效提升层状Co基氧化物热电性能。本文主要通过元素替代结合纳米第二相复合的途径对层状Co基氧化物热电材料进行优化。本文采用固相烧结法制备合成Bi2Ba2Co2Oy和Ca3Co4O9+δ系列样品,并对其电输运和热输运性能进行表征。分别对Bi2Ba2Co2Oy和Ca3Co4O9+δ材料分散不同含量的Si C纳米颗粒,研究Si C纳米颗粒含量对其热电性能的影响。通过Na元素对Bi2Ba2Co2Oy中的Bi位进行部分替代,Sr和Ba元素对Ca3Co4O9+δ中的Ca位进行部分替代,再研究Si C纳米颗粒的混入量对其热电性能的影响。探究元素替代结合Si C纳米颗粒分散对Bi2Ba2Co2Oy和Ca3Co4O9+δ热电性能的影响。实验结果表明,随着混入Si C纳米颗粒含量的增加,材料的电阻率均出现先降低后增加的现象,这可能是由于Si C纳米颗粒的混入改变了材料内部载流子浓度以及迁移率而引起的。材料的赛贝克系数与Si C纳米颗粒的混入量关系不大,这可能是由于Si C纳米颗粒的混入对材料的赛贝克系数带来了正负两方面的影响,两种作用相互抵消导致赛贝克系数基本保持不变。分散在多晶材料中的Si C纳米颗粒在材料内部会引入大量的晶界和晶面,而这将会增加内部声子散射频率,降低声子的平均自由程,从而降低声子的晶格热导,对材料热导率的下降具有重要意义。整体来讲,在材料内部引入适量的Si C纳米颗粒后,会导致电阻率和热导率下降,而赛贝克系数基本保持不变,因此可以有效地改善材料的热电性能。对于Bi2Ba2Co2Oy系列样品,Bi2Ba2Co2Oy+0.05 wt%Si C样品在923 K时拥有最大(5值,为0.17,比Bi2Ba2Co2Oy样品提高了65.8%。对Bi2Ba2Co2Oy的Bi位进行Na元素部分替代后再混入Si C纳米颗粒能够更好地优化Bi2Ba2Co2Oy材料的热电性能。Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy+0.1 wt%Si C样品的(5值在923 K时达到最大,为0.21,比Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy提高了26.6%,比Bi2Ba2Co2Oy提高了93%。对于Ca3Co4O9+δ系列样品,Ca3Co4O9+δ+0.05 wt%Si C样品在923 K时的(5值最高,为0.218,比Ca3Co4O9+δ样品提高了40.9%。对Ca3Co4O9+δ的Ca位进行Sr和Ba元素部分替代后再混入Si C纳米颗粒能够更好地优化Ca3Co4O9+δ材料的热电性能。Ca2.93Sr0.07Co4O9+δ+0.10wt%Si C样品在923 K时(5值达到0.246,比Ca2.93Sr0.07Co4O9+δ样品提高了34.2%,比Ca3Co4O9+δ样品提高了58.7%。Ca2.9Ba0.1Co4O9+δ+0.025wt%Si C在923K时(5值可以达到0.248,比Ca2.9Ba0.1Co4O9+δ样品提高了19.3%,比Ca3Co4O9+δ提高了60.04%。实验结果表明,对Bi2Ba2Co2Oy和Ca3Co4O9+δ系列材料分散适量Si C纳米颗粒可以提高其(5值;对Bi2Ba2Co2Oy和Ca3Co4O9+δ材料分别进行元素部分替代的基础上分散Si C纳米颗粒能够进一步优化Bi2Ba2Co2Oy和Ca3Co4O9+δ材料的热电性能。