PbTe纳米粉形貌调控及对其块体热电性能的影响

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热电材料是一种可以用来温差发电、温差制冷的的新型功能材料,它是一种在温差梯度下可以进行电能、热能相互转换的材料,这种材料制成的器件节能、无污染、使用寿命长、稳定性好。PbTe热电材料是一种传统的、使用温区为中温区,具有较高热电性能的材料。本文采用一步水热法,通过调控水热法的工艺参数,如反应温度、表面活性剂种类和用量、NaOH浓度等,制备出不同形貌的PbTe纳米粉体,包括纳米颗粒、纳米棒、漏斗状、枝叶花状等分级结构。初步探讨形貌变化机理及过程,并对三种典型形貌纳米棒、漏斗状、枝叶花状粉体热压成型,进行热电性能测试。研究主要内容如下:(1)本文采用Pb(NO32和Na2TeO3为反应物,硼氢化钠为还原剂,改变各种工艺条件发现反应温度越高,表面凹陷的漏斗状深度越深,出现了碎裂,棱断开,在不同表面活性剂条件下,PVP对形貌改性更强,得到更多完全漏斗状,当只改变表面活性剂PVP时,形貌会随着量增大,从颗粒变成漏斗状,当改变NaOH浓度时,产物会随着浓度增大漏斗状更均匀。这可能是表面活性剂在反应中充当了软模板,在碱性环境越强的情况下,表面凹陷的越深,同时氢氧化钠充当了刻蚀剂的作用。从动力学角度来说,由于棱角部分原子的过生长,也会导致出现表面凹陷形貌。(2)本文采用Pb(NO32和Na2TeO3为反应物,水合肼为还原剂,改变各种工艺条件。研究发现,反应温度过高时,从形貌主要是八角花瓣状变成枝晶状形貌占主导地位,当表面活性剂不同,产物形貌也会不一样,加PVP时是八角花瓣状,加EDTA、SDBS时,产物形貌在同等量时,没有PVP变化大,只是加深了反应,PVP的作用比其他两个模板作用强。单独研究PVP的作用,发现在不同的NaOH浓度下,产物形貌变化比较大,在同一NaOH浓度下,产物形貌基本处于同一个状态,2mol/l时,在改变的PVP条件下,产物形貌是枝叶花状,在1mol/l时,产物形貌是八角花瓣状。当改变NaOH浓度时,产物从棒状变到八角再到出现枝晶,成为枝叶花状。上述研究表明,枝晶花状的出现是NaOH刻蚀作用,表面活性剂模板以及动力学因素共同作用产生的。最后对水合肼和硼氢化钠还原剂对形貌影响做出比较,发现水合肼是形成八角花瓣结构的必要条件。(3)将反应调控所得的不同形貌的粉末产物,包括纳米棒、漏斗状、枝叶花状,通过热压,比较分析三种形貌块体材料中的热电学性能,得出三种形貌不同的粉末在热压成块体后,块体的微观形貌也存在差别。热学性能方面,枝叶花状形貌的块体热导率最小,漏斗状形貌的热导率最大,电学性能角度,漏斗状的电阻率最高,塞贝克系数最高,枝叶花状形貌的块体电阻率最低,塞贝克系数偏小。结合各方面因素,枝叶花状形貌的热电优值ZT达到了最大值0.97,这和文献中报道的纯碲化铅公认的热电优值0.70.8,有明显提高。
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