掺杂的稀土氧化物非晶态纳米管可控制备及其热电性能研究

There are important applications of thermoelectric material in the field of conversion between heat energy and electricity energy. The thermoelectric materials system, the material structure and the material dimension have been all redesigned based on increasing the conductivity, increasing the seebeck coefficient, decreasing the thermoconductivity and increasing the ZT value of thermoelectric material in this proposal. The amorphous rare earth doped oxide nanotube will be rational synthesized in the porous anodic aluminum oxide (AAO) template using the suction filteration at subatmospheric pressure，and the performances of thermoelectric material will be studied. The parameters of reactant concentration, reaction time, and subatmospheric suction filtration will be used to adjust the structure of nanotube in the nanopores of AAO. The conductivity of rare earth oxide nanotube is related to the doping ions, the valence of doping ion and the contant of doping ion, and they will be discussed. The band gap of rare earth oxide nanotube and the carrier concentration are influenced by doping and they will be as well as studied to find out the optimization combination between the conductivity and the seebeck coefficient. The electronic thermal conductivity, the phonon thermal conductivity and the lattice thermal conductivity of the amorphous rare earth oxide nanotube will be influened due to doping and it will be researched. The electronic thermal conductivity will be decreased due to the quantum confinement effect to limit the electrons electron transport, and the phonon thermal conductivity and the lattice thermal conductivity will be decreased respectively, due to the phonon scattering and the amorphous nanotube structure. It is the cooperative actions that it makes the thermal conductivity of the material decrease. The thermoelectric material of high ZT and good heat stability will be found out.

热电材料在热能与电能相互转化方面具有重大应用前景。本项目在热电材料体系、材料结构和材料维度上全新设计,围绕提高热电材料电导率、增大Seebeck系数、降低热导率、提高热电优值(ZT)开展研究。以有序多孔阳极氧化铝膜为模板，用负压抽滤法可控制备掺杂的稀土氧化物非晶态纳米管并研究其热电性能。研究反应物浓度、反应时间、抽滤负压等对纳米管结构的影响；研究掺杂离子种类、价态、含量与稀土氧化物纳米管电导率之间关系；研究掺杂对半导体稀土氧化物纳米管带隙、载流子浓度的影响，并找出电导率和Seebeck系数之间优化组合；研究掺杂对稀土氧化物非晶态纳米管的电子热导、声子热导和晶格热导的影响，利用纳米管量子限域效应，使电子输运受限，降低电子导热，以纳米管管状结构增大声子散射，降低声子热导，以非晶态结构减小晶格热导，协同降低材料热导率；优选出电导率高、Seebeck系数大、热导率低、稳定性好、ZT值高的热电材料。

目前，使用化石能源产生的大量温室气体引起气候变暖和其它环境污染，正威胁人类的可持续发展。本项目致力于研究高效利用太阳能的热电转换材料。主要研究内容和取得的重要结果如下： .系统地研究了阳极氧化铝膜（AAO）纳米模板制备工艺对纳米模板结构的影响，成功地实现了纳米孔径从15-200 nm，模板厚度从0.10-120 um的一系列纳米阵列结构模板的自由调控制备。.掌握了在AAO纳米模板纳米孔道内构造稀土氧化物非晶态纳米结构材料的方法，研究了掺杂稀土氧化物非晶态纳米结构材料的生长机理以及掺杂与结构性能的关系。研究了液相合成法制备过渡金属氧化物纳米颗粒和纳米复合结构材料，并研究其光吸收，光催化性能。.利用AAO纳米模板法已经成功地制备出一系列掺杂的稀土氧化物纳米结构材料：YCexOy: Eu3+、LaTbxOy: Eu3+、LaxY1-xF3: Eu3+、CexCo1-xOy:Eu3+；利用液相化学合成法，成功制备了过渡金属氧化物纳米颗粒和纳米复合材料：Cu2O、ZnO-Au25、Au15Ag3(SC6H11)14、Au-ZnO、PdNi 等，有关掺杂的稀土氧化物纳米结构材料在光吸收、传感材料、生物光学显示、纳米器件领域有潜在应用，纳米颗粒、纳米复合材料在能源、光催化等领域有潜在应用。相关研究成果已经在中外期刊上发表。.AAO纳米模板是可控制备纳米结构材料的关键材料之一，它可以调控材料纳米结构，进而调控纳米材料性能，AAO模板可用于分子水平的分离提纯，医药及生物过滤膜，可以作为构造纳米器件的工具。.由AAO纳米模板制备的掺杂的稀土氧化物纳米结构材料单根长度可以达到5um以上，它为纳米器件构造及应用提供技术支撑。纳米结构或纳米颗粒大小调控，一直是材料制备领域的热点问题，可控制备纳米结构或纳米颗粒是纳米器件或传感材料的应用的前提。