一种黄铜矿结构复合热电材料及其制备方法

本发明涉及热电材料，尤其涉及一种黄铜矿结构复合热电材料及其制备方法。

背景技术：

1、当前，能源、环境问题日益严峻，探寻新型清洁能源或提高能源利用率迫在眉睫。作为一种环境友好型材料，热电材料能够将废热转化为电能，进一步提高能源利用率。其中，具有黄铜矿结构的cuinte2化合物以较好稳定性和不俗的性能成为中温区最有潜力和应用前景的热电材料之一。

2、热电性能好坏取决于热电优值，定义为

3、zt＝s2σt/κtot，

4、其中s为塞贝克系数；σ为电导率；t为热力学温度；κtot为总热导率；s2σ称为功率因子，高性能热电材料需同时具备高功率因子和低热导率。然而cuinte2化合物的电导率极低，且与塞贝克系数耦合，导致功率因子受限，这严重限制了其热电性能的提高和实际应用的开发。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种黄铜矿结构复合热电材料及其制备方法。本发明提供的黄铜矿结构复合热电材料具有较高的室温电导率，并且和塞贝克系数的良好配合，使其具有随温度变化相对稳定且不俗的功率因子以及较高的热电优值。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种黄铜矿结构复合热电材料，化学式为cuinte2(gete)x，其中0＜x≤0.03。

4、优选地，0.01≤x≤0.03。

5、本发明还提供了上述技术方案所述的黄铜矿结构复合热电材料的制备方法，包括以下步骤：

6、将cu、in、te和ge混合，得到混合料；

7、将所述混合料依次进行熔炼、淬火和退火，得到铸锭；

8、将所述铸锭粉碎，得到粉体；

9、将所述粉体进行热压烧结，得到所述黄铜矿结构复合热电材料。

10、优选地，所述熔炼的温度为1000～1200℃，时间为20～30h。

11、优选地，所述淬火的温度为10～15℃。

12、优选地，所述退火的温度为300～500℃，时间为60～80h。

13、优选地，所述粉体的粒度为80～100μm。

14、优选地，所述热压烧结包括以下步骤：在第一压力下，以第一升温速率升温至中间温度后进行第一保温，然后在第二压力下以第二升温速率升温至终温后进行第二保温。

15、优选地，所述中间温度为250～450℃，所述终温为450～650℃，所述第一压力为20～40mpa，所述第二压力为40～60mpa，所述第一保温的时间为10～25min，所述第二保温的时间为50～80min。

16、优选地，所述第一升温速率为10～15℃/min，所述第二升温速率为10～20℃/min。

17、本发明提供了一种黄铜矿结构复合热电材料，化学式为cuinte2(gete)x，其中0＜x≤0.03。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

19、本发明提供的黄铜矿结构复合热电材料具备稳定且不俗的功率因子，通过复合载流子浓度超高的gete第二相(复合相)，补充大量的空穴，实现电导率的提高；同时大量空穴的引入抑制了cuinte2的本征激发，实现了高温塞贝克系数的提高，针对性的电性能优化使得功率因子在整个温度区间提高。此外，复合gete第二相引入大量的相界强烈阻碍声子传输，实现热导率的降低。实施例的数据表明，在全温度范围内，本发明提供的黄铜矿结构热电材料具有相对较高且温度依赖性较弱的功率因子，极大的提高了cuinte2应用于中温区废热收集转电的可能性；本发明提供的黄铜矿结构复合热电材料在333～883k时的功率因子均在0.45mw m-1k-2以上，实施例1一直保持在0.81mw m-1k-2以上，热电优值由0.65提升至0.86。

20、本发明还提供了上述技术方案所述的黄铜矿结构复合热电材料的制备方法，本发明提供的制备方法操作简单，成本相对低廉，适用于工业化。

技术特征：

1.一种黄铜矿结构复合热电材料，其特征在于，化学式为cuinte2(gete)x，其中0＜x≤0.03。

2.根据权利要求1所述的黄铜矿结构复合热电材料，其特征在于，0.01≤x≤0.03。

3.权利要求1或2所述的黄铜矿结构复合热电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼的温度为1000～1200℃，时间为20～30h。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述淬火的温度为10～15℃。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述退火的温度为300～500℃，时间为60～80h。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述粉体的粒度为80～100μm。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述热压烧结包括以下步骤：在第一压力下，以第一升温速率升温至中间温度后进行第一保温，然后在第二压力下以第二升温速率升温至终温后进行第二保温。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述中间温度为250～450℃，所述终温为450～650℃，所述第一压力为20～40mpa，所述第二压力为40～60mpa，所述第一保温的时间为10～25min，所述第二保温的时间为50～80min。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第一升温速率为10～15℃/min，所述第二升温速率为10～20℃/min。

技术总结
本发明提供了一种黄铜矿结构复合热电材料及其制备方法，属于热电材料技术领域。本发明提供的黄铜矿结构复合热电材料的化学式为CuInTe<subgt;2</subgt;(GeTe)<subgt;x</subgt;，其中0＜x≤0.03。本发明的黄铜矿结构复合热电材料是在CuInTe<subgt;2</subgt;基体中复合GeTe，以补足基体极低的载流子浓度，从而优化室温电导率，大量载流子的引入可抑制CuInTe<subgt;2</subgt;材料的本征激发，提高了高温下的塞贝克系数。此外，相界的引入进一步降低了晶格热导率，导致热电优值由0.65提升至0.86。

技术研发人员：康慧君,王同敏,范文新,郭恩宇,陈宗宁,李廷举,曹志强,卢一平,接金川,张宇博
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17