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水热法/溶剂热法制备CoSb_3系纳米粉体及性能研究

祁凤  
【摘要】:热电材料种类繁多,目前在中温区较为经典并且常用的热电材料为方钴矿热电材料。自1995年Slack博士曾提出“声子玻璃-电子晶体”(PGEC)的概念以来,极大地拓展了热电材料的研究方向。为了提高热电转换效率,提高方钴矿热电材料的品质因子(ZT值)是研究重点。提高热电材料的ZT值的主要思路包括降低热导率,提高电导率及提高功率因子,主要方法包括填充、低维纳米结构、复合相等,其原理为通过增加晶界数量、在晶界处形成能量势垒,利用能量过滤效应散射低能量的声子,提高载流子有效质量及浓度,从而提高热电材料的ZT值。本论文将从方钴矿的纳米粉体制备及稀土元素、碱土金属元素填充来实现方钴矿基体材料的纳米结构,同时实现材料本身结构的纳米化以及通过纳米第二相的复合来完成纳米工程,从而提高方钴矿的热电性能,即ZT值。首先,利用水热/溶剂热法通过调节工艺参数,包括温度、时间、原料配比、原料有无预水解反应来制备高纯度、尺寸均匀的CoSb_3纳米粉末,分析了各个影响因素对CoSb_3纳米粉末纯度、尺寸及形貌的影响,为后续填充稀土元素、碱土金属元素提供基础的实验条件。具体研究内容及结果如下:(1)利用水热/溶剂热法在高温高压条件下制备CoSb_3纳米粉末,由XRD图谱及SEM图像分析得出最佳实验条件,在保温温度为290℃、保温12 h、原料配比为1:3、原料预水解的反应条件下可以制备出纯度为86.3%、尺寸为50-70 nm的球状颗粒;并结合XRD图谱分析结果给出合成CoSb_3纳米粉末过程中各个阶段发生的反应;当原料配比Co:Sb=1:3时,产物形貌呈现球状颗粒;当原料配比Co:Sb=1:3.5时,产物形貌呈现方片状;(2)利用水热/溶剂热法对方钴矿进行稀土元素、碱土金属元素填充,探索最佳实验条件;在保温温度290℃、保温时间12 h实验条件下可以制备出Ba_x Fe_4Sb_(12)纳米粉末;在保温温度290℃、保温时间24 h实验条件下可以制备出Ba_x Co_4Sb_(12)纳米粉末;并结合XRD图谱分析结果推测出合成Ba_x Co_4Sb_(12)纳米粉末过程中涉及到的化学反应;(3)根据实验所得产物的物相及形貌分析,给出了水热法/溶剂热法制备CoSb_3系纳米粉末的反应机理。


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