分级结构硒化铋的合成及其电输运性能研究

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热电材料是可以直接实现热能和电能互换的一类材料,具有许多许多传统发电和制冷技术所不具备的优点。在能源和环境问题日益严重的今天,作为一种非常有前途的功能材料而受到广泛重视。然而限于当今理论和技术水平,热电材料的性能一直未能获得突破性进展,因而限制了材料的广泛应用。研究者试图通过各种方法来提高材料的热电性能。低维化和复杂纳米结构是有望提高材料热电性能的比较有前途的方法,并已在实验中得到了验证。此外,限制热电材料另一个重要原因便是材料的合成过程复杂,产量较低,无法规模化。同时在材料的合成过程中经常使用对人体和环境具有较大毒害的物质,使得在环保日益受到重视的今天,迫切需要绿色、环保、高效、规模化的合成方法,以克服材料难以规模化合成的瓶颈。故此本文选择高效、节能和环保的微波法为合成方法,选用乙二醇为溶剂,通过添加不同的天然产物或其衍生物来构筑具有不同纳米结构的Bi2Se3。通过对不同反应因素的研究,揭示了不同纳米结构Bi2Se3的形成机理。并研究了不同纳米结构对产物电输运性能的影响。在无表面活性剂条件下,以微波法在60秒内合成了超薄Bi2Se3纳米片。对影响产物最终形貌的多种因素进行了研究,发现超Bi2Se3纳米片的形成机理是以离子反应机理为主。通过比较不同反应条件下合成单个样品的能耗,发现当微波辐射功率为0.3KW、反应时间小于25min时,微波法要比传统的加热方法节能。同时比较了1min和10min所合成Bi2Se3纳米片的电输运性能,发现1min所合成Bi2Se3纳米片的功率因子为157μW m-1K-2,大于10min所合成Bi2Se3纳米片145μW m-1K-2的值。以天然产物可溶性淀粉为表面活性剂,抗坏血酸为还原剂,通过微波两步法合成了分级结构Bi2Se3微米棒。对分级结构Bi2Se3微米棒的形貌和微观结构表征,发现Bi2Se3微米棒是由许多纳米晶构成。对影响微米棒形成的各因素进行了研究,提出了微米棒的形成机理为自牺牲模板机理。电输运性能测试发现,样品在523K时的功率因子为92μW m-1K-2。以天然成产物纤维素的衍生物羧甲基纤维素钠为表面活性剂,采用微波法合成了堆叠层数可控的分级结构Bi2Se3叠片。研究了KOH的量、表面活性剂的量和表面活性剂的粘度对产物形貌的影响,提出了分级结构Bi2Se3叠片的形成机理为表面活性剂诱导的自组装机理。电输运性能测试发现,由于能量过滤效应,以粘度为300-800mPa s的羧甲基纤维素钠为表面活性剂所合成样品的功率因子最高,可达179μW m-1K-2。相比于单层Bi2Se3纳米片的功率因子提高了14%。在无表面活性剂条件下,以微波法合成了不同Te掺杂量的Bi2Se3纳米片。研究了压力和微波烧结时间等工艺参数对Bi2Se3纳米片微观结构和常温电输运性能的影响,发现20MPa压力和6s烧结时间的组合为最优条件。电输运性能测试发现,掺杂后的样品的功率因子在整个测试温度范围均高于未掺杂样品。功率因子最大时Te的掺杂量为x=0.3,可达178μW m-1K-2,超过此量,功率因子则有所降低。以L-半胱氨酸为硫源和还原剂,酒石酸钠为表面活性剂,采用微波两步法合成了分级结构Bi2(Se,S)3微米球。研究了不同反应阶段及不同L-半胱氨酸量和酒石酸钠量对产物形貌的影响,提出了分级结构Bi2(Se,S)3微米球的形成机理为阴离子交换机理。同时发现L-半胱氨酸和酒石酸钠的量对阴离子交换过程有重要影响。电输运性能测试发现,分级结构Bi2(Se,S)3微米球在523K时的功率因子为45μW m-1K-2,远低于前述其它样品。
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