《Cu9S5基熱電材料的製備與性能增強機理研究》是依託昆明理工大學，由葛振華擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：Cu9S5基熱電材料的製備與性能增強機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：葛振華
- 依託單位：昆明理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
熱電材料是一種能夠直接將熱能和電能相互轉化的新能源材料，在廢熱回收和半導體製冷方面有著廣泛的套用前景。但是目前商業化套用的熱電材料大多原料昂貴，或/且具有毒性，因而難以大規模套用。本項目關注的Cu9S5是一種原料來源豐富，且廉價無毒的熱電體系。我們將通過機械合金化法和水熱合成法結合放電等離子燒結技術製備塊體Cu9S5多晶材料，有望通過工藝最佳化、元素摻雜、微觀結構調控等手段製備出ZT值大於1的p型Cu9S5基熱電材料，並揭示Cu離子的超離子導電性與其熱電性能的相關性，為進一步最佳化其熱電性能提供依據，也為尋找新的環境友好的熱電體系提供可能的方向。
結題摘要
熱電材料是一種能夠實現熱能和電能直接相互轉化的一類能源材料，在工業餘熱回收、廢熱發電、熱電製冷等領域有廣泛的套用前景。以熱電材料為核心單元的熱電元件具有穩定、可靠、無活動部件、無噪音、無污染等眾多優點，在能源日益枯竭的今天受到了廣泛關注。 本課題所研究的Cu9S5基熱電材料是一種很具潛力的新型中溫熱電材料，與傳統高性能熱電材料諸如碲化鉍、碲化鉛相比具有原料廉價易得、低毒、環境友好等優點，但硫化銅熱電材料的性能尚有提升的空間。本著眼於p型Cu9S5基熱電材料，採用機械合金化法(MA)和液相合成法製備化合物粉體，採用放電等離子燒結(SPS)法製備多晶塊體材料。著力於通過製備工藝最佳化、Na/K等鹼金屬元素的填隙摻雜、稀土元素摻雜、WSe2等第二相的複合、核殼結構摻雜來提升Cu9S5的熱電性能。 研究表明，MA工藝中的球磨時間能夠顯著影響合成粉體的活性，進而影響SPS後塊體的物相組成，最終粉體球磨時間3小時，在723K燒結的Cu9S5樣品在773K取得最大ZT值0.72。在此基礎上，通過鹼金屬元素和稀土合金元素摻雜有效地調控Cu9S5材料的能帶結構，並引入能夠對聲子造成強烈散射作用的點缺陷、納米析出物、界面或是納米孔。最終Na0.05Cu9S5塊體材料在773K取得最大ZT值1.1。稀土元素和氯元素的摻雜不僅調節載流子濃度，而且增加了能態密度的複雜程度，因此Cu9S5 + 2wt％LaCl3樣品獲得了Cu9S5材料目前最優的Seebeck係數（773K時143μVK-1）和功率因子（773K時1600μWm-1K-2），並在773K時取得最大的ZT值1.2。本課題還利用一系列第二相對Cu9S5材料進行複合，通過引入額外相界面降低熱導率以及能量過濾效應最佳化Seebeck係數，最終Cu9S5 + 1.0 wt％WSe2樣品在773K取得目前Cu9S5材料的最高ZT值1.22。 本項目通過最佳化製備工藝、採用元素摻雜、第二相複合、核殼結構摻雜來提升Cu9S5的熱電性能，最終獲得了多種ZT值大於1的熱電材料。一方面製備出了一種極具套用前景的新型熱電材料，另一方面提供了幾種可供其它材料體系借鑑和理論指導的性能最佳化方法。
