CoSb3/石墨烯纳米复合材料的原位合成及热电输运特性

本申请项目将用原位溶剂热法合成一种新结构的CoSb3基热电材料，即CoSb3/石墨烯纳米复合材料。由于前驱体相互的物理化学作用，这种结构中纳米CoSb3晶粒（5-10纳米）可被均匀地约束于石墨烯层间；同时，石墨烯层可被CoSb3充分隔离，经热压后可形成CoSb3纳米晶粒/石墨烯层-层结构。石墨烯的分散作用可有效阻止热压过程中CoSb3晶粒的团聚和长大，石墨烯的物理化学性质也与真空热压工艺相容。通过本项目的实施，将揭示溶剂热反应参数（温度、时间、前驱体组元之间的物理化学作用等）对CoSb3/石墨烯纳米复合材料微观形态的影响规律；揭示热压对CoSb3/石墨烯微观形态的演变规律，及该演变同热电输运特性的关系规律，特别是CoSb3晶粒尺寸、晶界及与石墨烯界面微结构的演变对声子输运行为的影响规律。在揭示上述规律的基础上，通过对CoSb3/石墨烯纳米复合材料微结构的优化设计来实现其热电性能的突破。

通过溶剂热法制备了CoSb3/G纳米复合材料，然后经过热压制备了p型CoSb3/G块体复合热电材料。所得产物的CoSb3颗粒非常细小，约5–10纳米，其中薄层的石墨烯嵌于其间，石墨烯的含量约为1.5 wt%。在80 MPa下600 ºC热压2小时后，CoSb3颗粒仍保持在100纳米左右。研究发现，少量石墨烯的引入可显著提高CoSb3的电导率，电导率的提高是载流子浓度和迁移率共同增加的缘故，但赛贝克系数则变化不大。CoSb3/G纳米复合材料显示出了较低的晶格热导率，这是由纳米化引入晶界散射和第二相引入界面散射共同作用的结果。在800 K时，CoSb3/G纳米复合材料的热电优值达到0.61，而单纯CoSb3的热电优值仅为0.26。用类似的方法制备了PbTe/G纳米复合材料，其中PbTe呈现立方形，颗粒尺寸约为200纳米，其表面覆盖着薄的石墨烯层。经过80 MPa，600 ºC下热压0.5小时后，PbTe的颗粒尺寸仍保持在200纳米左右。和石墨烯复合后，产物的电导率上升，总热导率和晶格热导率均下降，热电优值可达到约0.5。用溶剂热法制备了纳米尺寸的Bi2Te3薄片，研究表明，当NaOH浓度为0.2 M，反应温度和时间分别为180 °C 和 36小时，表面活性剂为PVP时，可以得到尺寸均匀，具有完整六边形结构的二维Bi2Te3薄片，该薄片的厚度为40−60纳米。相对于熔炼产物，纳米结构的溶剂热产物的热导显著降低，这是众多晶界对声子散射的结果。在制备纳米Bi2Te3基础上，用溶剂热法制备了Bi2Te3/石墨烯纳米复合材料。用一种绿色方法来将氧化石墨还原成rGO，将两种中药菊粉和枸杞配成溶液作为还原剂，在水热条件下将氧化石墨还原，得到了N,S双掺杂的还原氧化石墨。研究了掺杂和填充对CoSb3热电性能的影响，结果表明，Fe掺杂和Pr，Nd双填充可将CoSb3的ZT值提高到。用悬浮熔炼法制备了FeVSb基热电材料，通过改变孔隙率，Co掺杂，点缺陷和晶界的优化来提高热电性能。在研究热电性能的基础上，将石墨烯基纳米复合材料用于其他能量存储和转换领域，如锂离子电池，锂空电池，钠离子电池等。研究发现，石墨烯的引入同样能提高其他能量存储和转换性能。