一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料、制备方法及应用

本发明涉及热电材料，特别涉及一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料、制备方法及应用。

背景技术：

1、热电功率发电技术可将低品质废热直接转换为高品质电能，具有零排放、无噪音、无机械运动部件等优点，属于新一代绿色能源技术。半霍伊斯勒化合物由于其独特性质已成为热电功率发电领域的明星材料。

2、然而，传统半霍伊斯勒化合物作为热电材料的主要弊端在于其本征高晶格热导率。通常利用引入异质原子的方法以降低晶格热导率，而该方法由于异质原子溶解度极限的存在导致晶格热导率降低有限，仍显著高于其他经典热电材料的晶格热导率(如：bi2te3、pbte)。因此，为进一步挖掘半霍伊斯勒化合物的热电性能，充分发挥其功率发电潜力，在材料端直接开发本征低晶格热导率的新型半霍伊斯勒化合物是重要发展路径。同时，常规的熔融法制备工艺针对组分元素熔点差异过大的情况，难以实现组分含量精确控制，直接制约了新材料的开发。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了解决现有半霍伊斯勒热电材料本征晶格热导率较高以及常规熔融法制备工艺受组分元素熔点差异局限的问题，通过高能球磨、热压烧结、高温退火工艺流程制备出一种新型缺陷态半霍伊斯勒化合物，化学式为zr0.88nibi，其晶格热导率在室温仅为1.4w/(m·k)，是目前半霍伊斯勒材料体系的实验最低值。

2、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

3、一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料，是由非化学计量比的zr、ni、bi元素组成且晶体结构中具有本征空位缺陷的半霍伊斯勒热电材料，其化学式为zr0.88nibi。

4、本发明还提供一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料的制备方法，包括以下步骤：

5、s1、按预设比例取zr、ni、bi单质，使用高能球磨法对原料进行球磨，获得无块状凝结的混合粉末；

6、s2、采用热压烧结工艺对混合粉末进行固化得热压烧结样品；

7、s3、对热压烧结样品进行高温退火，降温冷却至室温得到成品的材料。

8、进一步的，在氩气惰性氛围下进行球磨。

9、进一步的，所述s1中球磨时间为20-30小时，球和原料的质量比1.33-1.66。

10、进一步的，所述s2中升温速率100-200℃/分钟，热压温度700-750℃，压强70-80mpa。

11、进一步的，所述s2热压烧结的维持时长2-5分钟。

12、进一步的，所述s3中升温速率3-4℃/min，退火温度700-750℃。

13、进一步的，所述s3高温退火的时长40-50小时。

14、本发明还提供一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料的应用。

15、与现有技术相比，本发明的优点在于：

16、1.本发明所提供的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料，采用非化学计量比的zr、ni、bi元素组成，同时发明人调控各个元素发现，调控ni和bi产生空位缺陷，均难以产生效果，进而调整zr空位缺陷，得到了化学式为zr0.88nibi，对其表征发现，该半霍伊斯勒热电材料在晶体结构中具有本征空位缺陷，同时测得其晶格热导率在室温下低至1.4w/(m·k)，是目前半霍伊斯勒材料体系的实验最低值。

17、2.本发明所提供的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料的制备方法，采用高能球磨法，直接化合zr、ni、bi单质，最终获得无块状凝结的均匀粉末。采用热压烧结工艺以实现球磨粉末的快速固化。对热压烧结样品高温退火处理，同时调整各阶段的各工艺参数，使得所制备成的成品材料热力学结构稳定，晶格热导率在室温下低至1.4w/(m·k)，具有优异的性能，且制备方法简单，易操作，便于广泛推广。

18、3.本发明所提供的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料的应用，具有普遍适用性，应用前景良好。

技术特征：

1.一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料，其特征在于，是由非化学计量比的zr、ni、bi元素组成且晶体结构中具有本征空位缺陷的半霍伊斯勒热电材料，其化学式为zr0.88nibi。

2.根据权利要求1所述的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料，其特征在于，在氩气惰性氛围下进行球磨。

4.根据权利要求3所述的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料，其特征在于，所述s1中球磨时间为20-30小时，球和原料的质量比1.33-1.66。

5.根据权利要求2所述的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料，其特征在于，所述s2中升温速率100-200℃/分钟，热压温度700-750℃，压强70-80mpa。

6.根据权利要求5所述的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料，其特征在于，所述s2热压烧结的维持时长2-5分钟。

7.根据权利要求2所述的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料，其特征在于，所述s3中升温速率3-4℃/min，退火温度700-750℃。

8.根据权利要求7所述的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料，其特征在于，所述s3高温退火的时长40-50小时。

9.权利要求1所述的一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料的应用。

技术总结
本发明公开了一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料、制备方法及应用，涉及热电材料技术领域。解决了现有半霍伊斯勒热电材料本征晶格热导率较高以及常规熔融法制备工艺受组分元素熔点差异局限的问题。该材料是由非化学计量比的Zr、Ni、Bi元素组成且晶体结构中具有本征空位缺陷的半霍伊斯勒热电材料，其化学式为Zr<subgt;0.88</subgt;NiBi。还提供一种缺陷态半霍伊斯勒热电材料的制备方法，按预设比例取Zr、Ni、Bi单质，使用高能球磨法对原料进行球磨，获得无块状凝结的混合粉末；采用热压烧结工艺对混合粉末进行固化得热压烧结样品；对热压烧结样品进行高温退火，降温冷却至室温得到成品。本发明的半霍伊斯勒材料晶格热导率低，性能优异。

技术研发人员：任武洋,王志明,巫江
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15