一种制备纳米Mg_2-xSiRE_x热电材料的方法

专利名称：一种制备纳米Mg_2-xSiRE_x热电材料的方法
技术领域：
本发明一种制备高纯纳米Mg2_xSiI x热电材料的方法，属于热电材料制备领域，具体而言是一种高纯纳米Mg2_xSiI x热电材料的制备技术方案，特别是对中温区温差发电或制冷技术所需的半导体材料的制备。
背景技术：
热电材料是一种通过载流子(电子或空穴)的运动实现电能和热能直接相互转换的半导体材料。当热电材料两端存在温差时，热电材料能将热能转化为电能输出；或反之在热电材料中通以电流时，热电材料能将电能转化为热能，一端放热而另一端吸热。热电材料在制冷或发电等方面有广泛的应用背景。热电材料的性能用“热电优值”Z表征z = (a2o/k)。这里α是材料的热电势系数，σ是电导率，k是热导率。一种好的热电材料应具有接近晶体的电导率和类似玻璃的热导率。硅化镁热电材料资源丰富、底层蕴藏量大、价格低廉，无毒无污染，受到了越来越多的关注。目前硅化镁热电材料传统的制备方法为利用单质的Mg粉和Si粉直接冶炼化合而成，制备技术主要包括机械合金化(MA)，热压(HP)，放电等离子烧结(SPS)等。存在的主要问题是制备工艺复杂、Mg粉氧化损失严重、产物纯度和均勻度低，严重降低了 Mg2Si基热电材料的ZT值。

发明内容
本发明一种制备高纯纳米Mg2_xSiI x热电材料的方法目的在于为了克服上述 Mg2Si制备的困难，提供一种添加稀土元素高纯纳米Mg2Si的，高效简便的制备高纯纳米 M&_xSiREx热电材料的方法。本发明一种制备高纯纳Mg2_xSiREx热电材料的方法，其特征在于是一种用MgH2替代传统Mg粉在管式炉中Ar气保护下与纳米Si粉反应制备出颗粒度小于50nm的高纯纳米MghSiREx粉末的方法。该方法由原材料MgH2、Si粉和稀土元素(RE)粉在管式炉中Ar 气保护下反应得到高纯纳米Mg2_xSiREx粉末，反应全过程有流动Ar气保护，反应方程式为 (2-x) MgH2+Si+xRE = Mg2^xSiREx+ (2-χ) H2 χ = 0 0. 05RE = Y、Sc、Pr，(1)所述的制备该材料的原材料MgH2粉、Si粉和RE粉颗粒度小于30nm，其配方摩尔比为(2-x)mol MgH2 Imol Si χ mol RE(x = 0 0. 05，RE = Y、Sc、ft·)，其具体步骤为将 MgH2 粉、Si 粉和 RE 粉在手套箱中按M&_xSiREx(x = 0 0. 05，RE = Y.Sc.Pr)的化学计量比称量后，装入试样瓶中， 将瓶口密封，再将密封好的试样瓶置于混粉机上混粉5 6小时，然后在手套箱中把混好的粉末装入石英管4中密封，把石英管4置于管式炉3中，两端分别与氩气瓶1和插入矿物油 7中的排气管连接；先打开氩气进气阀2，后打开另一端排气阀6，使插入矿物油7中的排气管有持续气泡冒出，并防止空气倒流入管内；以2 10°C /min升温速率升到350°C，石英管 4中的混合粉开始按式1反应，在345 355°C保温10 15小时，然后切断电源，使反应生成的Mg2_xSiREx粉末随炉冷却。本发明一种制备高纯纳米Mg2_xSiI x热电材料的方法具有的有益效果是
MgH2不易与氧反应，在配粉以及装入真空管式炉过程中有效避免了氧的侵入，在加热反应阶段，炉体内通入Ar气保护，反应副产物H2也有助于防止产物氧化，从而保证了产物的高纯度，纯度大于99. 9%。由于MgH2粉、Si粉和RE粉在350°C就可发生反应，在 345 355°C保温10 15小时，让反应过程缓慢进行，保证了反应产物Mg2_xSiI x粉末的颗粒度在小于50nm水平，且产物的成分分布均勻。


图1是MgH2反应制备M&Si基热电材料的装置，图中1-氩气瓶、2-进气阀、3-管试炉、4-石英管、5-陶瓷方舟、6_排气阀、7_矿物油图2是M&_xSiREx粉末热电材料的TEM照片。
具体实施例方式实施方式1将颗粒度均小于30nm的MgH2粉和Si粉在手套箱中按摩尔比为2mol MgH2 Imol Si χ mol RE(X = O)装入试样瓶中，将瓶口密封。将密封好的试样瓶置于混粉机上混粉 5小时，然后在手套箱中把混好的粉末装入石英管4中密封，把石英管4置于管式炉3中，两端分别与氩气瓶1和插入矿物油7中的排气管连接；先打开氩气进气阀2，后打开另一端排气阀6，使矿物油7中的排气管有持续气泡冒出，并防止空气倒流入管内；以2V /min升温速率升到350°C，石英管4中的混合粉开始按式1反应，在345 355°C保温10小时，然后切断电源，使反应生成的Mg2Si粉末随炉冷却。待炉温冷却到室温，取出粉末，产物颗粒度小于30nm，纯度大于99. 9%0实施方式2将颗粒度均小于30nm的MgH2粉、Si粉和&粉在手套箱中按摩尔比为(2-x)mol MgH2 Imol Si χ mol k (x = 0. 5)装入试样瓶中，将瓶口密封。将密封好的试样瓶置于混粉机上混粉5小时，然后在手套箱中把混好的粉末装入石英管4中密封，把石英管4置于管式炉3中，两端分别与氩气瓶1和插入矿物油7中的排气管连接；先打开氩气进气阀2， 后打开另一端排气阀6，使矿物油7中的排气管有持续气泡冒出，并防止空气倒流入管内； 以5°C /min升温速率升到350°C，石英管4中的混合粉开始按式1反应，在345 355°C保温12小时，然后切断电源，使反应生成的Mgu5SiScatl5粉末随炉冷却。待炉温冷却到室温， 取出粉末，产物颗粒度小于50nm，纯度大于99. 9%。实施方式3将颗粒度均小于30nm的MgH2粉、Si粉和Y粉在手套箱中按摩尔比为(2-x)mol MgH2 Imol Si χ mol Y(x = 0. 5)装入试样瓶中，将瓶口密封。将密封好的试样瓶置于混粉机上混粉6小时，然后在手套箱中把混好的粉末装入石英管4中密封，把石英管4置于管式炉3中，两端分别与氩气瓶1和插入矿物油7中的排气管连接；先打开氩气进气阀2，后打开另一端排气阀6，使矿物油7中的排气管有持续气泡冒出，并防止空气倒流入管内；以 IO0C /min升温速率升到350°C，石英管4中的混合粉开始按式1反应，在345 355°C保温 15小时，然后切断电源，使反应生成的Mgu5SiYatl5粉末随炉冷却。待炉温冷却到室温，取出粉末，产物颗粒度小于40nm，纯度大于99. 9%。
实施方式4将颗粒度均小于30nm的MgH2粉、Si粉和ft·粉在手套箱中按摩尔比为(2-x)mol MgH2 Imol Si χ mol ft·(x = 0.幻装入试样瓶中，将瓶口密封。将密封好的试样瓶置于混粉机上混粉6小时，然后在手套箱中把混好的粉末装入石英管4中密封，把石英管4置于管式炉3中，两端分别与氩气瓶1和插入矿物油7中的排气管连接；先打开氩气进气阀2， 后打开另一端排气阀6，使矿物油7中的排气管有持续气泡冒出，并防止空气倒流入管内； 以10°C /min升温速率升到350°C，石英管4中的混合粉开始按式1反应，在345 355°C保温15小时，然后切断电源，使反应生成的Mgu5SiPratl5粉末随炉冷却。待炉温冷却到室温， 取出粉末，产物颗粒度小于30nm，纯度大于99. 9%。
权利要求
1. 一种制备高纯纳米MghSiREx热电材料的方法，其特征在于是一种用MgH2替代传统Mg粉在管式炉中Ar气保护下与纳米Si粉反应制备出颗粒度小于50nm的高纯纳米 Mg2_xSiREx粉末的方法，该方法由原材料MgH2粉、Si粉和RE粉在管式炉中Ar气保护下反应得到高纯的纳米Mg2_xSiItex粉末，反应全过程有流动Ar气保护，反应方程式为(2-x) MgH2+Si+xRe = Mg2^xSiRex+(2-x)H2 χ = 0 0. 05RE = Y、Sc、Pr。所述的制备该材料的原材料MgH2粉、Si粉和RE粉颗粒度均小于30nm，其配方摩尔比为(2-x)mol MgH2 Imol Si χ mol RE (χ = O 0. 05，RE = Y、Sc、Pr)。其具体步骤为将 MgH2 粉、Si 粉和 RE 粉在手套箱中按Mg2_xSiRex (χ = 0 0. 05，RE = Y.Sc.Pr)的化学计量比称量后，装入试样瓶中，将瓶口密封；再将密封好的试样瓶置于混粉机上混粉5 6小时，然后在手套箱中把混好的粉末装入石英管4中密封；把石英管4置于管式炉3中，两端分别与氩气瓶1和插入矿物油7中的排气管连接；先打开氩气进气阀2，后打开另一端排气阀6，使插入矿物油7中的排气管有持续气泡冒出，并防止空气倒流入管内；以2 10°C /min升温速率升到350°C，石英管4中的混合粉开始按式1反应，在345 355°C保温10 15小时，然后切断电源，使反应生成的Mg2_xSiItex粉末随炉冷却。
全文摘要
一种制备高纯纳米Mg2-xSiREx热电材料的方法，属于热电材料制备领域，具体而言是一种高纯纳米Mg2-xSiREx热电材料的制备技术方案，特别是对中温区温差发电或制冷技术所需的半导体材料的制备。本发明其特征在于用MgH2替代传统Mg粉在管式炉中Ar气保护下与纳米Si粉反应制备出颗粒度小于50nm的高纯纳米Mg2-xSiREx粉末，本方法的特点是工艺简单且高效节能，制备出的Mg2-xSiREx热电材料具有较好的热电性能。克服了常规Mg2Si基热电材料制备过程中，Mg粉氧化严重，产物纯度和均匀度低，严重阻碍了Mg2Si基热电材料ZT值提高的缺点。
文档编号C01B33/06GK102530957SQ201110425658
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者孟庆森, 庄蕾, 易堂红, 李育德, 樊文浩, 陈少平 申请人:太原理工大学