利用铜锡锌硫化物基纳米颗粒制作环保型纳米复合热电材料

新技术 2018年09月19日
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高性能铜硫化物基热电材料的研究迈出了重要的一步。日本北陆先端科学技术大学院大学与日本触媒公司和产业技术综合研究所合作,化学合成了铜锡锌硫化物基纳米颗粒,并以此制作了环保的铜锡锌硫化物基纳米构造的热电材料。

以代表性热电材料碲化铋为首,很多热电材料都采用碲、硒、铅等毒性较高或者资源稀缺的元素。消费类用途需要保证安全性,采用高毒性材料势必会严重阻碍产品的实用化。因此,作为可持续热电材料,科学家一直在关注金属硫化物材料。金属硫化物材料价格相对较低,而且很安全,资源也比较丰富。金属硫化物热电材料采用与此前已知的热电材料碲和硒同属于第16族元素的硫,作为热电材料潜力较高。

基于以上背景,研发小组化学合成了铜锡锌硫化物基纳米颗粒,并混合了2种部分成分不同的铜锡锌硫化物基纳米颗粒(Cu2Sn0.85Zn0.15S3和Cu2Sn0.9Zn0.1S3),通过在抑制颗粒生长的同时进行烧制,成功制作了纳米复合热电材料,新材料同时具备不同成分的铜锡锌硫化物的优点(高导电率及低导热率)。尤其是以9:1的比例混合Cu2Sn0.85Zn0.15S3和Cu2Sn0.9Zn0.1S3制作的纳米复合材料,ZT高达0.64(@670K)。这个数值约为普通CTS(Cu2SnS3)晶体的20倍。

今后除Cu2SnS3基之外,还将化学合成黝铜矿(Cu12Sb4S13)基等多种铜硫化物基纳米颗粒,并将多种不同的纳米颗粒进行混合烧制,从而进一步提高ZT。最终目标是使有助于进行能量收集的可持续热电材料实现实用化。

以9:1的比例混合Cu2Sn0.85Zn0.15S3和Cu2Sn0.9Zn0.1S3制作的纳米复合材料

图1:以9:1的比例混合Cu2Sn0.85Zn0.15S3和Cu2Sn0.9Zn0.1S3制作的纳米复合材料

文 客观日本编辑部

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