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多孔Ca_3Co_4O_9热电材料的稀土掺杂及性能研究

姬鹏霞  
【摘要】:能源短缺和环境恶化已经成为关系到人类社会能否持续发展的大问题。为缓解能源短缺、减少环境污染,研究和开发可再生能源已迫在眉睫。以固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的环境友好型热电转换技术作为候补机制之一,已经发展成为了高新技术领域的前沿和热点之一。氧化物体系是热电材料领域研究的重要体系之一,具有良好的热电性能、耐高温、抗氧化、热稳定性好、无污染、使用寿命长、原材料丰富、价格低廉、制备简单等优点使其获得了巨大的关注。其中,Ca3Co4O9热电氧化物因其独特的层状结构,电、热输运可进行独立调节,所以热电性能具有良好的改性空间。针对Ca3Co4O9在热电发电器件和热电制冷领域的广阔应用前景和其热电性能研究不足的现状,本论文研究集中在其热电性能的优化方面。本论文采用空间俘获法制备了La掺杂Ca3Co4O9、多孔Ca2.6La0.4Co4O9两个体系,利用冷等静压后常压烧结工艺制备块体陶瓷样品,对其物相组成及微观形貌进行了表征,并研究了材料的Seebeck系数、电阻率、功率因子随La3+和CO(NH2)2含量的变化规律。采用固相反应法和空间俘获法制备了Ca3Co4O9前驱粉体。TG-DSC、XRD、SEM结果表明,空间的俘获法可获得纯相、晶粒较小的前驱粉体,同时降低了合成温度,而且空间俘获法合成样品Seebeck系数和功率因子明显高于固相法。最大Seebeck系数为179μV/K(976K),较固相法提高60%;最大功率因子为7.5×10-4mW/(cm·K2)(976K),较固相法提高16倍;电阻率略有升高。采用空间俘获法合成系列La掺杂Ca3Co4O9样品。掺杂样品XRD和SEM分析表明:烧结产物主相为Ca3Co4O9,微量掺杂不改变相结构,但会降低体系的结晶度、抑制晶粒长大。并且掺杂能够有效改善Ca3Co4O9热电性能,且有一定浓度极限。在974K,La0.4样品中获得最大Seebeck系数为186μV/K、最小电阻率为39.6mΩ·cm、最大功率因子为8.78×10-4mW/(cm·K2),较未掺杂样品优化4%、12%、18%。对获得最大功率因子的Ca2.6La0.4Co4O9前驱粉体添加造孔剂CO(NH2)2,制备系列多孔陶瓷样品。样品SEM图显示,造孔剂CO(NH2)2不改变样品结构,且能够优化样品结构;同时,多孔结构也能改善样品的热电性能。在978K,V4样品中获得最小电阻率为16.4mΩ·cm、最大功率因子为1.84×10-3mW/(cm·K2),较未造孔样品优化59%、110%。


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