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超声化学法合成纳米Bi_2Te_3基热电化合物

郑懿熠  
【摘要】:Bi_2Te_3及其合金的最高无量纲热电优值ZT接近于1,是目前室温附近应用得最好的热电材料。纳米结构材料,如各种纳米线和纳米管,由于其热导率的降低比电导率的降低更为显著,材料的热电优值会显著提高,而越来越引起人们的关注和研究。 本文采用超声化学合成方法,以BiCl_3、Te粉或Te化物为反应前驱体,采用不同的合成工艺路线,制得Bi_2Te_3基纳米粉末,应用XRD、TEM等手段对合成粉末进行了物相结构和微观形貌的分析。实验研究和讨论了Bi_2Te_3超声化学合成过程中的化学反应机理和形核长大机制。最后采用真空热压技术,对部分Bi_2Te_3基纳米粉末进行热压,并测试了其热电性能。本文主要取得以下研究结果。 1.以BiCl_3和Te粉为原料,去离子水为溶剂,NaBH_4为还原剂,NaOH为PH值调节剂,采用超声化学合成方法制备了颗粒尺寸在20~30nm之间的Bi_2Te_3基热电材料纳米粉末。并研究了还原剂、反应时间和添加剂EDTA对产物成分和微观形貌的影响。研究表明,以NaBH_4为还原剂,250W功率超声16h可以合成出单相Bi_2Te_3纳米粉末。EDTA的添加对合成粉末的颗粒尺寸并无明显影响,但EDTA的添加延长了合成单相Bi_2Te_3纳米粉末的时间。 2.对超声化学合成过程中生成Bi_2Te_3纳米晶体提出了可能的形核机制。一种是通过溶液中的Bi、Te原子(或离子)之间的化学反应,形成单个Bi_2Te_3分子,并进而通过分子之间的合并长大,形成稳定的Bi_2Te_3晶核。第二种可能的途径是通过Bi原子(或离子)与Te晶体之间的表面反应或在Te晶体层间的插入反应,形成Bi_2Te_3晶核。Bi_2Te_3晶体由于其晶格的各向异性特点,沿晶格基面的生长比沿c轴方向生长快得多,容易形成不规则多面体颗粒。 3.研究了Te源对超声化学合成Bi_2Te_3纳米管的影响,超声功率为150W,反应36h。分析发现,不同Te源都可以超声合成出单相Bi_2Te_3纳米粉末,但对粉末微观形貌有很大影响。当以Na_2TeO_3为Te源时,可以合成出Bi_2Te_3纳米管,管子直径约20nm,长约200nm,管壁厚约5nm。而当以Te粉作为Te源时,合成的粉末全部由尺寸在20~30nm之间的颗粒组成。 4.以BiCl_3和Na_2TeO_3为原料,去离子水为溶剂,NaBH_4为还原剂,NaOH为PH值调节剂,添加络合剂EDTA和分散剂SDBS,均可获得单相Bi_2Te_3纳米粉末。合成粉末由尺寸在10~30nm之间的颗粒组成。其中添加EDTA可以合成出纳米管,管子直径宽20~90nm,长度100~300nm,管壁厚5~10nm。


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