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钴基氧化物热电材料制备与物性

林俊  
【摘要】:热电材料是一种利用固体内部载流子运动,实现热能和电能直接相互转换的功能材料,在热电发电和热电制冷等领域有巨大的应用意义和广阔的应用前景。能源短缺和环境问题极大的推动了热电材料的研究。目前性能好的热电材料都含有一定比例的有毒且价格昂贵的元素如Te、Sb、Pb等。因此,在生产过程中之存在高成本和环境污染热问题。正如1986年氧化物高温超导体的发现“出乎意料”,打破了在金属材料体系中寻找超导体的习惯思维一样, 1997年日本早稻田大学的Terasaki教授首先指出具有“异常”高热电性能的NaCo_2O_4作为新热电材料的可能性,过去的几十年里“被遗忘”的金属氧化物才进入热电材料研究者的视野。氧化物热电材料具有种类繁多,成本较低,没有毒性,不会产生环境污染,且制作过程较简单,高温环境下性能稳定等优点,越来越被广泛关注,探索新的氧化物热电材料具有重要意义。 本文采用固相反应法和水热合成法探索合成了两种钴基氧化物,对其晶体结构、化学成分和热、电输运性质进行了研究,对其热电应用可能行进行了评价。取得以下主要研究结果: (1)ZnCo_2O_4是一种典型的尖晶石型氧化物。以往关于ZnCo_2O_4的研究主要集中于其用于复合电极的电学性能。我们先以ZnO,Co_2O_3为实验原料,采用固相反应法制备ZnCo_2O_4热电材料,并用XRD对物相、结构进行了分析。1300℃以下反应不完全,难以生成单相材料。 (2)当以Co_2O_3替换Co_3O_4为原料,即使改变反应时间和反应温度也无法获得目标生成物ZnCo_2O_4。 (3)以Co(NO_3)_2·6H_2O、ZnCl_2、NaOH为原料,采用水热法在低温下(180-220℃)成功制备单相的ZnCo_2O_4。采用等离子体放电烧结方法(SPS),将粉末材料烧结后,测量了它的高温电导率、Seebeck系数和热导率。650K时,Seebeck系数高达550μV/K,电导率为15S/m,热导率为4.5W/mK。 (4)以Co(NO_3)_2·6H_2O、NaOH为原料,采用水热法成功制备了Co_3O_4,纳米材料,采用等离子体放电烧结方法烧结后,测量了它的高温电导率和Seebeck系数。最大的Seebeck系数和电导率分别220μV/K和110 S/m。


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