摻雜Ca3Co4O9熱電氧化物的制備及性能研究.pdf

1、Ca3Co4O9基氧化物是近年來備受關(guān)注的熱電氧化物材料之一,其具有無毒性、可在高溫氧化條件下長期工作、制備簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是,目前這種材料的熱電轉(zhuǎn)換效率偏低,離實際應(yīng)用還有較大的差距,因此,人們不斷尋求提高其熱電性能的新途徑。本論文以Ca3Co4O9材料為研究對象,通過Na、La和Cu摻雜,嘗試提高其熱電性能。
　　采取溶膠-凝膠法(Sol-gel)結(jié)合放電等離子體燒結(jié)(SPS)技術(shù),成功地制備了不同摻雜的Ca3-xRxC

2、o4-yCuyO9(R=Na,La,x=0.1,0.2,0.3,y=0.0,0.2)塊體熱電陶瓷。利用X射線衍射分析(XRD)和掃描電鏡(SEM)對所制備材料的成分和微觀形貌進(jìn)行了表征;并在373~873K的溫度范圍內(nèi),研究了材料的Seebeck系數(shù)S、電導(dǎo)率δ、熱導(dǎo)率κ以及ZT值等熱電參數(shù)隨溫度變化的規(guī)律。具體工作和結(jié)果概括為以下幾個方面:
　　采用溶膠-凝膠法,將溶液的pH值維持在1~2之間,緩慢干燥得到均勻的干凝膠之后,在1

3、023 K空氣氣氛中退火4h的工藝條件下,制備出了晶粒尺寸比較均勻、層片狀結(jié)構(gòu)、摻雜成分均勻且雜相較少的Ca3Co4O9粉體,其晶粒尺寸為1~2μm。溶膠-凝膠法制備得到的粉體經(jīng)過SPS技術(shù)處理后,得到了致密度高,并具有一定取向的塊體陶瓷。
　　對塊體陶瓷在373~873K溫度之間的Seebeck系數(shù)S、電導(dǎo)率δ、熱導(dǎo)率κ以及ZT值進(jìn)行了測試和計算。熱電性能測試結(jié)果顯示:Co位單獨(dú)摻雜微量的Cu,由Cu2+代替Co3+顯著地提高了

4、Ca3Co4O9的電導(dǎo)率和熱阻率,但對Seebeck系數(shù)的影響比較小,因而顯著地提高了體系的熱電性能。在873 K,Ca3Co3.8Cu0.2O9的ZT值達(dá)到0.253。Ca3-xLaxCo3.8Cu0.2O9(x=0.1,0.2,0.3)體系熱電性能測試結(jié)果表明,La和Cu雙摻雜進(jìn)一步減小了體系的電阻率和熱導(dǎo)率。當(dāng)La的摻雜量和Cu的摻雜量分別為3.3％和5%時,體系的ZT值達(dá)到最高值,在873K,Ca2.9La0.1Co3.8Cu0

5、.2O9的ZT值為0.28;而Na和Cu雙摻雜體系Ca3-xNaxCo3.8Cu0.2O9(x=0.2,0.3)表明,Na和Cu雙摻雜在低溫階段降低了體系電阻率和Seebeck系數(shù),同時也提高了體系的熱導(dǎo)率。因此,體系的ZT值沒能得到提高,在873 K,Ca2.7Na0.3Co3.8Cu0.2O9的ZT值為0.23。
　　通過和目前文獻(xiàn)報道的有關(guān)Ca位或者Co位摻雜Ca3Co4O9體系的ZT值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)通過選擇適當(dāng)?shù)膿诫s元素和