新型钴基氧化物热电材料的制备及其性能研究

论文摘要

热电材料是一种通过热电效应实现热能和电能直接转换的功能材料,在热电发电和制冷等领域具有极为重要的应用前景。本文对热电现象、热电材料的发展历程、热电材料的研究进展等做了比较详细的论述。氧化物热电材料具有工作温度高、抗氧化、无污染、制备简单、使用寿命长等优点,成为具有研究潜力和应用价值的新型候选热电材料。本论文的工作以一种新型的层状Ca2Co2O5氧化物热电材料作为研究对象,通过Sm3＋元素的掺杂来改善其热电性能,得出诸多有价值的结论,并且筛选出性能优良的p型及n型热电材料,制作出温差发电器件,并测试其性能。本论文采用溶胶-凝胶法结合常压烧结制备出了纯相Ca2Co2O5以及Sm3＋掺杂的Ca2Co2O5热电材料,通过TG-DSC、IR、XRD、SEM、EDS以及热电性能测试等技术研究了样品的结构、微观形貌以及热电性能,并考察了Sm3＋对Ca2C0205的结构和热电性能（电阻率、Seebeck系数、功率因子）的影响,筛选出性能较好的p型Ca1.70Sm0.30Co2O5及n型Ca0.95Sm0.05MnO3热电材料,制成热电器件。结果表明,利用-溶胶凝胶法结合常压烧结制备的Ca2Co205热电材料与其他方法制备的样品相比,具有致密的内部结构和良好的热电性能,三价的Sm3＋替代二价的Ca2＋后,优化了材料的载流子浓度,使样品的热电性能有了很大程度的提高。同时测试热电器件的电输出性能,结果表明,其输出电压和电流随温差的增大呈现出单调递增的趋势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 热电效应及基本理论
• 1.2.1 热电效应
• 1.2.2 热电基本理论
• 1.3 热电效应的应用
• 1.3.1 温差发电
• 1.3.2 热电制冷
• 1.3.3 热电传感器
• 1.4 热电材料的研究进展
• 1.4.1 低温热电材料
• 1.4.2 低维热电材料
• 1.4.3 方钴矿及方钴矿填充材料
• 1.4.4 层状钴基氧化物热电材料
• 1.4.5 Half-Heusler热电材料
• 1.5 提高热电性能的途径
• 1.5.1 制备具有一定禁带宽度的半导体
• 1.5.2 优化载流子浓度
• 1.5.3 研制功能梯度热电材料
• 1.5.4 低维化
• 1.6 本课题立题依据
• 第二章 实验试剂、仪器及表征方法
• 2.1 主要化学试剂
• 2.2 主要设备与仪器
• 2.3 结构和表征方法
• 2.3.1 X射线衍射分析（XRD）
• 2.3.2 热重-差示扫描热分析分析（TG-DSC）
• 2.3.3 傅立叶红外光谱（FT-IR）
• 2.3.4 扫描电镜（SEM）
• 2.3.5 EDS能谱分析
• 2.4 热电性能测试
• 2.4.1 电阻率
• 2.4.2 Seebeck系数
• 2Co₂O₅的合成工艺、结构分析及热电性能'>第三章 Ca₂Co₂O₅的合成工艺、结构分析及热电性能
• 3.1 引言
• 2Co₂O₅的制备方法'>3.2 Ca₂Co₂O₅的制备方法
• 3.2.1 高温固相法
• 3.2.2 溶胶-凝胶法
• 3.2.3 放电等离子烧结法
• 2Co₂O₅的结构及特征'>3.3 Ca₂Co₂O₅的结构及特征
• 2Co₂O₅热电材料的制备及影响因素'>3.4 Ca₂Co₂O₅热电材料的制备及影响因素
• 3.5 加水量和温度对溶胶的影响
• 2Co₂O₅热电材料的结构表征'>3.6 Ca₂Co₂O₅热电材料的结构表征
• 3.6.1 X射线衍射分析（XRD）
• 3.6.2 失重-差示扫描热分析（TG-DSC）
• 3.6.3 傅立叶红外光谱分析（FTIR）
• 3.6.4 扫描电镜（SEM）
• 3.6.5 EDS能谱分析
• 2Co₂O₅的热电性能表征'>3.7 Ca₂Co₂O₅的热电性能表征
• 3.8 本章小结
• 3+掺杂Ca₂Co₂O₅热电材料的制备与性能研究'>第四章 Sm³⁺掺杂Ca₂Co₂O₅热电材料的制备与性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 制备过程
• 3+掺杂Ca₂Co₂O₅热电材料的结构表征'>4.3 Sm³⁺掺杂Ca₂Co₂O₅热电材料的结构表征
• 4.3.1 X射线衍射分析（XRD）
• 4.3.2 块体样品的断面形貌分析
• 4.3.3 EDS能谱分析
• 3+掺杂Ca₂Co₂O₅热电材料的热电性能表征'>4.4 Sm³⁺掺杂Ca₂Co₂O₅热电材料的热电性能表征
• 4.4.1 电阻率（ρ）
• 4.4.2 Seebeck系数（S）
• 4.4.3 功率因子
• 4.5 本章小结
• 第五章 全氧化物热电器件的制备
• 5.1 引言
• 5.2 原料及测试仪器
• 5.3 制备过程
• 0.95Sm_0.05MnO₃的热电性能分析'>5.4 n型Ca_0.95Sm_0.05MnO₃的热电性能分析
• 5.5 温差发电器件测试
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 一、制备工艺研究
• 二、掺杂体系的性能考察
• 三、热电器件的制备
• 四、下一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录