本發(fā)明屬于新能源材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種制備納米化mg3sb2熱電材料的新方法。

背景技術(shù)：

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境的破壞和化石能源的衰竭，已經(jīng)成為人類高度關(guān)注的重大議題?？沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，是順應(yīng)當(dāng)下人類社會(huì)發(fā)展需求的一個(gè)前瞻性成果。為了減輕環(huán)境破壞與能源消耗的事態(tài)，全球很多科學(xué)工作者正在將其注意力集中在尋找和開(kāi)發(fā)可再生的新能源上。

熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠通過(guò)熱電材料的seebeck效應(yīng)和peltier效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能和熱能之間的直接轉(zhuǎn)換，其作為一種環(huán)境友好型的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)在工業(yè)余熱，汽車尾氣廢熱等回收利用方面有著重要的應(yīng)用前景。同時(shí)它還具有無(wú)傳動(dòng)部件、體積小、無(wú)噪音、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。熱電材料的轉(zhuǎn)換效率主要由熱電優(yōu)值zt決定，zt=α²σt/κ，其中α為seebeck系數(shù)、σ為電導(dǎo)率、κ為熱導(dǎo)率、t為絕對(duì)溫度。納米化能夠顯著降低晶格熱導(dǎo)率，優(yōu)化熱性能和熱電優(yōu)值。

mg3sb2體系的熱電材料，具有較高的電性能和優(yōu)異的熱性能，因而具有較高的zt值。同時(shí)，其擁有原料蘊(yùn)藏豐富、價(jià)格低廉、無(wú)毒和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。

目前，制備mg3sb2基熱電材料主要采用熔融法、機(jī)械合金化法（球磨）結(jié)合放電等離子體燒結(jié)（sps）。然而，mg的高飽和蒸汽壓和強(qiáng)反應(yīng)活性，使得熔融法并不能精確地控制其組成（mg的揮發(fā)和氧化等），而且不能得到納米晶粒，機(jī)械合金化法（球磨）雖然較好地改善了mg的揮發(fā)損失并且能夠得到納米晶粒，但是該法容易引入雜質(zhì)和引起氧化。因此，一種能有效避免mg揮發(fā)和引入雜質(zhì)，并且能夠得到納米晶粒的方法對(duì)于制備mg3sb2熱電材料來(lái)說(shuō)，顯得非常重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種制備納米化mg3sb2熱電材料的方法，這種方法具有組成控制好和重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明為解決上述提出的問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：

一種制備納米化mg3sb2熱電材料的新方法，它包括以下步驟：

1）按mg3(1+0.04)sb2各原子化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行稱量，然后將稱量好的mg粉和sb粉研磨混合均勻，將混合均勻的粉末壓成塊體；

2）將步驟1）所得塊體真空密封于玻璃管中，再將該玻璃管放入反應(yīng)爐中，可得到單相mg3sb2化合物；

3）將上述所得產(chǎn)物研磨成粉末，進(jìn)行氫化脫氫（hddr）處理，得到納米化mg3sb2熱電材料。

上述方案中，所述步驟1）中mg粉、sb粉的質(zhì)量純度均399.9%。

上述方案中，所述步驟2）將密封有冷壓塊體的玻璃管，放入反應(yīng)爐中，反應(yīng)溫度為600℃，保溫時(shí)間為20h。

上述方案中，所述步驟3）中粉末進(jìn)行氫化脫氫（hddr）的過(guò)程為：將粉末裝入氫化脫氫（hddr）反應(yīng)裝置內(nèi)：a.氫化條件：溫度350℃，時(shí)間12h，氫壓4mpa；b.脫氫條件：溫度300℃，時(shí)間3h，高真空~10^-3pa。

上述制備方法可得到納米化mg3sb2熱電材料。

以上述內(nèi)容為基礎(chǔ)，在不脫離本發(fā)明基本技術(shù)思想的前提下，根據(jù)本領(lǐng)域的普通技術(shù)知識(shí)和手段，對(duì)其內(nèi)容還可以有多種形式的修改、替換或變更，如固相反應(yīng)的溫度和保溫時(shí)間可以有所變化等。

本發(fā)明需要對(duì)固相反應(yīng)后的mg3sb2粉末進(jìn)行氫化，氫化伴隨著mg3sb2化學(xué)鍵的斷裂，然后進(jìn)行脫氫，脫氫伴隨著mg3sb2化學(xué)健的重新結(jié)合，進(jìn)而達(dá)到細(xì)化mg3sb2顆粒的目的。

與現(xiàn)有的mg3sb2制備方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：

第一，本發(fā)明首次采用氫化脫氫技術(shù)制備了納米化mg3sb2熱電材料；

第二，本發(fā)明具有有效抑制mg揮發(fā)、避免引入雜質(zhì)和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)；

第三，本發(fā)明主要采用mg粉和sb粉，價(jià)格低廉。

附圖說(shuō)明

圖1和圖2為實(shí)施例中步驟3）固相反應(yīng)后粉末的xrd圖和sem圖；圖3和圖4為實(shí)施例步驟4）中氫化脫氫后粉末的xrd圖和sem圖。從圖1和圖2可以看出，固相反應(yīng)后所得產(chǎn)物為單相mg3sb2化合物，并未發(fā)現(xiàn)納米晶粒；從圖3和圖4可以看出，經(jīng)過(guò)氫化脫氫后，樣品依然為mg3sb2化合物，但是mg3sb2顆粒上布滿了25nm左右的納米晶粒。

具體實(shí)施方式

為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。

下述實(shí)施例中mg粉和sb粉的質(zhì)量純度均399.9%。

實(shí)施例

一種制備納米化mg3sb2熱電材料的新方法，它包括以下步驟：

1）按mg3(1+0.04)sb2（mg過(guò)量4%是為了補(bǔ)償mg的揮發(fā)損失）各原子的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行稱量，總質(zhì)量3g，然后將它們研磨混合均勻，將混合均勻的粉末壓成直徑為10mm的圓柱形塊體塊體（5mpa保壓5min，然后，8mpa保壓10min）；

2）將步驟1）所得塊體真空密封于玻璃管中，將該玻璃管放入反應(yīng)爐中，反應(yīng)溫度為600℃，保溫時(shí)間20h；

3）將上述所得產(chǎn)物研磨成粉末，對(duì)其進(jìn)行物相（xrd）和微結(jié)構(gòu)（sem）表征；

4）將步驟3）所得粉末放入氫化脫氫反應(yīng)裝置中，氫化條件：溫度350℃，時(shí)間12h，氫壓4mpa；脫氫條件：溫度300℃，時(shí)間3h，高真空~10^-3pa；

5）將氫化脫氫后的粉末進(jìn)行物相（xrd）和微結(jié)構(gòu)（sem）表征。

圖1為原料塊體經(jīng)過(guò)固相反應(yīng)后的xrd圖，從圖中可以看出，在600℃下，保溫20h可以得到mg3sb2單相化合物；圖2為固相反應(yīng)后粉末顆粒的sem圖（從左到右分別放大10.0k倍和80.0k倍），可以看到，顆粒及表面均無(wú)納米晶粒；圖3為氫化脫氫后粉末的xrd圖，可以看出，經(jīng)過(guò)氫化脫氫處理后，粉末仍是mg3sb2化合物；圖4為氫化脫氫后粉末顆粒的sem圖（從左到右分別放大10.0k倍和80.0k倍），從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)氫化脫氫后，納米晶粒已經(jīng)布滿所有顆粒表面。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種制備納米化Mg3Sb2熱電材料的新方法，它包括以下步驟：1）按Mg3(1+0.04)Sb2各原子化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行稱量，然后將它們研磨混合均勻，將混合均勻的粉末壓成塊體；2）將步驟1）所得塊體密封于玻璃管中，再將其放入反應(yīng)爐中，得到單相Mg3Sb2化合物；（3）將上述所得產(chǎn)物研磨成粉末，進(jìn)行氫化脫氫處理（HDDR，hydrogenation–disproportionation–desorption–recombination），得到納米化的Mg3Sb2熱電材料。本發(fā)明首次將氫化脫氫（HDDR）方法應(yīng)用到納米化Mg3Sb2熱電材料的制備中，為今后更多Mg基熱電材料的HDDR納米化制備打下良好的基礎(chǔ)。

技術(shù)研發(fā)人員：張強(qiáng);樊建鋒;張華;許并社
受保護(hù)的技術(shù)使用者：太原理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.03.31
技術(shù)公布日：2017.09.19