碱金属掺杂BiCuSeO陶瓷显微结构调控及其热电性能研究

Oxide thermoelectric materials have attracted much attention due to their potential applications in a variety of practical waste heat recovery systems, air conditioning and refrigeration. However, the ZT value of oxides has remained low, which limits their applications. The poor performance of such oxide thermoelectrics can be ascribed to their low electrical conductivity and high thermal conductivity. Layered oxides are found to be good candidates for high performance oxides.Recent studies revealed that BiCuSeO oxyselenides, with a unique two dimensional layered structure, exhibited relative good thermoelectric property at high temperature after being doped optimally.Therefore, the reaserch of BiCuSeO is becoming the hot topic in the area of oxide thermoelectric materials. In the present work, the hydrothermal method, spark plasma sintering (SPS) technique and annealing process are used to prepare the nano-composite of BiCuSeO ceramics. Base on the optimization of alkali metal elements doping and nanostructure to achieve high figure of merit (ZT) in the BiCuSeO-base ceramics. Finally, the detail mechanism of band engineering and nanostructure would be carefully investigated to explore a new type oxide thermoelectric material with high thermoelectric performance.

氧化物热电材料由于在废热发电、空调和制冷等方面具有广阔的应用前景，近年来受到了越来越大的关注。但是传统的氧化物材料电导率偏低，热导率偏高，热电性能较差，限制了它的实际应用。新型层状氧化物热电材料是提高氧化物热电性能的重要途径。最近研究表明，BiCuSeO具有独特的二维层状结构，掺杂优化后呈现出优良的高温热电性能，是目前高性能氧化物材料研究的热点。本课题拟采用水热合成方法、放电等离子体烧结结合退火工艺制备BiSeCuO 纳米复合陶瓷。通过碱金属掺杂和纳米结构复合调控和优化材料的热电性能。在此基础上，研究BiCuSeO体系中载流子和声子的输运机制，以及纳米结构对热电性能的影响规律。研究成果将为高性能热电陶瓷的制备和热电输运机制提供重要的实验证据和理论依据。

热电材料可以实现热能与电能之间的相互转换,属于一种功能复合材料。它可以应用在很多领域，比如:制冷、控温和测温等。热电材料也是一种具有市场应用前景的新能源材料，它有以下优势：结构简单、运行无杂音、环境友好、性能稳定等，可以在能源回收领域中起到很好的作用。BiCuSeO是目前性能较为优异的氧化物热电材料，但其本征电导率较低，本课题采用单掺杂、双掺杂的方法来提高其电导率，同时提高其热电优值ZT。由于钠的引入，晶粒的生长更加规则，颗粒度也减小，随着钠掺杂量的增加而出现了过量析出的现象。由于Na+比Bi3+的离子半径小更易于取代,所以其热导率降低,电导率也得到提高。873 K时热导率由0.71 Wm-1K-1降低为0.57 Wm-1K-1，室温下电导率由1.6 Scm-1提高到199.3 S cm-1，虽然整体的Seebeck系数有所损失，但是ZT值由0.4提高到0.7。K掺杂BiCuSeO的电导率得到较明显的提高并取得一个较高的ZT值，当掺杂水平为2%，获得最大的功率因子；随着K掺杂量的增加，提供了足够点缺陷，加强了声子的点缺陷散射机制，对降低晶格热导率有显著的作用。同时得到了K掺杂的固溶度小于6%的结论。最后，当掺杂量为4%的时候，样品获得最大的ZT值。鉴于Na掺杂后的低热导率和Pb掺杂后较高的电导率，所以利用二者的优点来提高样品的热电性能。最后对数据进行分析，随着Pb掺杂量的增加，在电导率增加的同时热导率也有一定的增大，由于电导率的增幅高于热导率的增幅，最后样品的ZT值增大到0.73。