一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料及其制备方法和应用 (Laser irradiation PbS quantum dot embedded SnSe thermoelectric material and preparation method and application thereof ) 是由 杨艳玲 薛帆 侯小江 锁国权 冯雷 叶晓慧 张荔 和茹梅 刘佳隽 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料及其制备方法和应用,属于热电材料与器件技术领域。所述制备方法包括：将PbS均匀分散于溶剂中得到溶液A,将溶液A在超声中通过非聚焦激光器辐照处理得到溶液B；将SnCl-(2)·2H-(2)O均匀分散于溶剂中得到溶液C,将NaSeO-(3)均匀分散于溶液C中得到溶液D；将溶液B和溶液D混合均匀得到溶液E,将NaOH均匀分散于溶液E中后进行溶剂热反应,将所得产物体系经清洗后干燥得到固体产物；将固体产物通过放电等离子烧结压制处理,制得激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料。制得的激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料提高了电导率和塞贝克系数,能够应用于制备深空航天器超长寿命电源或用于制备自供电无限传感器等应用场合。(The invention discloses a laser irradiation PbS quantum dot embedded SnSe thermoelectric material and a preparation method and application thereof, belonging to the technical field of thermoelectric materials and devices. The preparation method comprises the following steps: uniformly dispersing PbS in a solvent to obtain a solution A, and carrying out irradiation treatment on the solution A in ultrasound by a non-focused laser to obtain a solution B; SnCl 2 ·2H 2 Dispersing O in solvent to obtain solution C, and adding NaSeO 3 Uniformly dispersing the solution D in the solution C to obtain a solution D; uniformly mixing the solution B and the solution D to obtain a solution E, uniformly dispersing NaOH in the solution E, carrying out a solvothermal reaction, cleaning an obtained product system, and drying to obtain a solid product; and (3) performing discharge plasma sintering and pressing treatment on the solid product to prepare the laser irradiation PbS quantum dot embedded SnSe thermoelectric material. The prepared laser irradiation PbS quantum dot embedded SnSe thermoelectric material improves the conductivity and the Seebeck coefficient, and can be applied to the preparation of deep space spaceflightThe device has an ultra-long service life power supply or is used for preparing self-powered infinite sensors and other application occasions.)
技术领域
本发明属于热电材料与器件技术领域，涉及一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料及其制备方法和应用。
背景技术
热电材料能够实现热能与电能之间的相互转换，为解决能源危机和环境问题提供了一个全新的途径。热电材料中可按照温度的高低被划分为低温热电材料(300K～500K，如Bi2Te3，Bi2Te2.7Se0.3，NiSe2+x等)、中温热电材料(500K～900K，如SnSe，SnTe，Cu2Se和SnSe1- xSx等)和高温热电材料(＞900K，如SnSe，SiGe等)。其中，作为中高温热电材料的典型代表，SnSe及其相关的热电材料因固有的热导率和高的功率因数等优点而受到广泛的关注。
层状结构的SnSe晶体由于在高温下存在相变，因此表现出强的各向异性；其能带结构复杂，具有能量差异较小的多重局域价带；具有较高的Seebeck系数和极低的热导率。然而，单晶的SnSe力学性能较差、生长条件苛刻且难以控制，不适合商业化生产，因此，多晶SnSe热电材料成为了研究人员的关注的焦点。目前，研究人员通过掺杂、合金化、微结构调控、形成复合物等手段来提高多晶SnSe材料的热电性能。而多晶SnSe热电材料虽然保持着低的热导率和较高的塞贝克系数，但其导电性仍然很低，进而限制了其作为热电材料的使用性。因此，选择一种合适的制备方法对开发绿色环保、结构稳定、具有优异热电性能的多晶SnSe基热电材料具有十分重要的意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料及其制备方法和应用，用于提高SnSe材料的电导率，并进一步提高PbS/SnSe复合材料的塞贝克系数。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将PbS均匀分散于溶剂中，得到溶液A，将所得溶液A在超声中通过非聚焦激光器辐照处理，得到溶液B；将SnCl2·2H2O均匀分散于溶剂中，得到溶液C，将NaSeO3均匀分散于所得溶液C中，得到溶液D；2)将所得溶液B和所得溶液D混合均匀，得到溶液E，将NaOH均匀分散于所得溶液E中，得到溶液F；3)将所得溶液F进行溶剂热反应，得到产物体系，将所得产物体系经清洗后干燥，得到固体产物；4)将所得固体产物通过放电等离子烧结压制处理，制得P激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料。
优选地，PbS、SnCl2·2H2O、NaSeO3和NaOH的投料比例为0.1～0.3g：0.5～2.5g：1.0～2.0g：3～5g。
优选地，PbS和溶剂的投料比例为0.1～0.3g：10mL，SnCl2·2H2O和溶剂的投料比例为0.5～2.5g：40mL。
优选地，非聚焦激光器辐照处理的操作参数包括：辐照5～15min，激光器频率10Hz，波长1064nm，功率300～800mJ。
优选地，溶剂热反应的条件包括：200～230℃，24～36h。
优选地，步骤1)中，溶剂为乙二醇。
优选地，步骤3)中，清洗干燥的操作具体包括：采用去离子水和乙醇各清洗三次后在80℃下真空烘干。
优选地，放电等离子烧结压制处理的操作参数包括：时间5～8min，压力50～70MPa。
本发明还公开了采用上述制备方法制得的一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料。
本发明还公开了上述一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料用于制备深空航天器超长寿命电源的应用。
本发明还公开了上述一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料用于制备自供电无限传感器的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料的制备方法，采用脉冲激光和溶剂热法来制备PbS/SnSe复合材料，合成工艺简单，易操作。
进一步的，量子点PbS更容易包覆在SnSe的微结构中，纳米级的PbS更容易提高PbS/SnSe复合材料的电导率。
进一步的，SnSe作为PbS量子点的载体，使得纳米颗粒能够均匀分布在SnSe表面，解缓了PbS量子点易团聚的问题。
进一步的，SnSe形貌的改变可以增大晶界的接触，在一定程度上能够提高系统的塞贝克系数。
本发明提供的经上述制备方法制得的激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料，通过制备PbS量子点来提高PbS/SnSe复合材料的电导率。此外，PbS量子点的复合能改变SnSe的基本形貌，从而进一步提高复合材料的塞贝克系数。
本发明提供的上述激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料能够应用于制备深空航天器超长寿命电源或用于制备自供电无限传感器等应用场合。综上所述，本发明制备的PbS/SnSe热电材料具有合成工艺简单和易操作的优点，制备的PbS量子点有效地提高了PbS/SnSe热电材料的电导率。合成的SnSe结晶性强，且其形貌有所改变，有利于提高材料的塞贝克系数。
附图说明
图1为SnSe结构的SEM图；
图2为实施例7嵌入量子点PbS后SnSe结构的SEM图；
图3为实施例7嵌入量子点PbS后SnSe的XRD图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明提供了一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料的制备方法，包括以下的步骤：
步骤1，将0.1～0.3g的PbS和10mL的乙二醇混合，得到溶液A；
步骤2，将溶液A在超声中通过非聚焦激光器辐照5～15min，激光器频率10Hz，波长1064nm，功率300～800mJ，得到溶液B；
步骤3，将0.5～2.5g的SnCl2·2H2O和40mL的乙二醇进行混合，得到溶液C；
步骤4，将1.0～2.0g的NaSeO3和溶液C进行混合，得到溶液D；
步骤5，将溶液B与溶液D进行混合，得到溶液E；
步骤6，将3～5g的NaOH与溶液E进行混合，得到溶液F；
步骤7，将溶液F放入反应釜中，在200～230℃下进行溶剂热反应24～36h；反应后的产物体系用去离子水和乙醇各清洗三次后在80℃下真空烘干，得到固体产物；
步骤8，将步骤7所得固体产物通过放电等离子烧结压制5～8min，压力50～70MPa，制得一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料。
采用上述制备方法制得的一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料，其性能相比纯相SnSe材料有很大的提高。经塞贝克系数/电阻分析系统仪器测试表明，其塞贝克系数在150℃能够达到300～427uV/k，此时的电导率也达到了24～36S/cm。因此，本发明所述一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料能够很好的应用于变压器上各类传感器的电源或工业炉体与烟囱上各类检测监测传感器的电源等应用场合，如用于制备深空航天器超长寿命电源以及用于制备自供电无限传感器。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
(1)将0.1g的PbS和10mL的乙二醇混合，得到溶液A；
(2)将溶液A在超声中通过非聚焦激光器辐照5min，激光器频率10Hz，波长1064nm，功率300mJ，得到溶液B；
(3)将1.7g的SnCl2·2H2O和40mL的乙二醇进行混合，得到溶液C；
(4)将1.3g的NaSeO3和溶液C进行混合，得到溶液D；
(5)将溶液B与溶液D进行混合，得到溶液E；
(6)将3g的NaOH与溶液E进行混合，得到溶液F；
(7)将溶液F放入反应釜中，在200℃下进行溶剂热反应24h；反应后的产物体系用去离子水和乙醇各清洗三次后在80℃下真空烘干，得到固体产物；
(8)将步骤7所得固体产物通过放电等离子烧结压制5min，压力50MPa，制得一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料。
本实施例制得的激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料，经塞贝克系数/电阻分析系统仪器测试表明，其塞贝克系数在150℃能够达到325.5uV/k，此时的电导率也达到了27.4S/cm。
实施例2
(1)将0.1g的PbS和10mL的乙二醇混合，得到溶液A；
(2)将溶液A在超声中通过非聚焦激光器辐照5min，激光器频率10Hz，波长1064nm，功率400mJ，得到溶液B；
(3)将1.8g的SnCl2·2H2O和40mL的乙二醇进行混合，得到溶液C；
(4)将1.4g的NaSeO3和溶液C进行混合，得到溶液D；
(5)将溶液B与溶液D进行混合，得到溶液E；
(6)将3.5g的NaOH与溶液E进行混合，得到溶液F；
(7)将溶液F放入反应釜中，在200℃下进行溶剂热反应24h；反应后的产物体系用去离子水和乙醇各清洗三次后在80℃下真空烘干，得到固体产物；
(8)将步骤7所得固体产物通过放电等离子烧结压制7min，压力50MPa，制得一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料。
本实施例制得的激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料，经塞贝克系数/电阻分析系统仪器测试表明，其塞贝克系数在150℃能够达到407.3uV/k，此时的电导率也达到了26.8S/cm。
实施例3
(1)将0.1g的PbS和10mL的乙二醇混合，得到溶液A；
(2)将溶液A在超声中通过非聚焦激光器辐照10min，激光器频率10Hz，波长1064nm，功率300mJ，得到溶液B；
(3)将1.9g的SnCl2·2H2O和40mL的乙二醇进行混合，得到溶液C；
(4)将1.5g的NaSeO3和溶液C进行混合，得到溶液D；
(5)将溶液B与溶液D进行混合，得到溶液E；
(6)将4g的NaOH与溶液E进行混合，得到溶液F；
(7)将溶液F放入反应釜中，在210℃下进行溶剂热反应30h；反应后的产物体系用去离子水和乙醇各清洗三次后在80℃下真空烘干，得到固体产物；
(8)将步骤7所得固体产物通过放电等离子烧结压制5min，压力50MPa，制得一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料。
本实施例制得的激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料，经塞贝克系数/电阻分析系统仪器测试表明，其塞贝克系数在150℃能够达到417.9uV/k，此时的电导率也达到了24.3S/cm。
实施例4
步骤1，将0.2g的PbS和10mL的乙二醇混合，得到溶液A；
步骤2，将溶液A在超声中通过非聚焦激光器辐照15min，激光器频率10Hz，波长1064nm，功率500mJ，得到溶液B；
步骤3，将2.0g的SnCl2·2H2O和40mL的乙二醇进行混合，得到溶液C；
步骤4，将2.0g的NaSeO3和溶液C进行混合，得到溶液D；
步骤5，将溶液B与溶液D进行混合，得到溶液E；
步骤6，将5g的NaOH与溶液E进行混合，得到溶液F；
步骤7，将溶液F放入反应釜中，在230℃下进行溶剂热反应28h；反应后的产物体系用去离子水和乙醇各清洗三次后在80℃下真空烘干，得到固体产物；
步骤8，将步骤7所得固体产物通过放电等离子烧结压制6min，压力50MPa，制得一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料。
本实施例制得的激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料，经塞贝克系数/电阻分析系统仪器测试表明，其塞贝克系数在150℃能够达到426.8uV/k，此时的电导率也达到了35.9S/cm。
实施例5
步骤1，将0.2g的PbS和10mL的乙二醇混合，得到溶液A；
步骤2，将溶液A在超声中通过非聚焦激光器辐照10min，激光器频率10Hz，波长1064nm，功率400mJ，得到溶液B；
步骤3，将2.1g的SnCl2·2H2O和40mL的乙二醇进行混合，得到溶液C；
步骤4，将1.8g的NaSeO3和溶液C进行混合，得到溶液D；
步骤5，将溶液B与溶液D进行混合，得到溶液E；
步骤6，将4.5g的NaOH与溶液E进行混合，得到溶液F；
步骤7，将溶液F放入反应釜中，在220℃下进行溶剂热反应36h；反应后的产物体系用去离子水和乙醇各清洗三次后在80℃下真空烘干，得到固体产物；
步骤8，将步骤7所得固体产物通过放电等离子烧结压制6min，压力55MPa，制得一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料。
本实施例制得的激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料，经塞贝克系数/电阻分析系统仪器测试表明，其塞贝克系数在150℃能够达到386.4uV/k，此时的电导率也达到了32.7S/cm。
实施例6
步骤1，将0.1g的PbS和10mL的乙二醇混合，得到溶液A；
步骤2，将溶液A在超声中通过非聚焦激光器辐照15min，激光器频率10Hz，波长1064nm，功率600mJ，得到溶液B；
步骤3，将2.2g的SnCl2·2H2O和40mL的乙二醇进行混合，得到溶液C；
步骤4，将1.8g的NaSeO3和溶液C进行混合，得到溶液D；
步骤5，将溶液B与溶液D进行混合，得到溶液E；
步骤6，将4.5g的NaOH与溶液E进行混合，得到溶液F；
步骤7，将溶液F放入反应釜中，在230℃下进行溶剂热反应36h；反应后的产物体系用去离子水和乙醇各清洗三次后在80℃下真空烘干，得到固体产物；
步骤8，将步骤7所得固体产物通过放电等离子烧结压制8min，压力50MPa，制得一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料。
本实施例制得的激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料，经塞贝克系数/电阻分析系统仪器测试表明，其塞贝克系数在150℃能够达到364.7uV/k，此时的电导率也达到了31.3S/cm。
实施例7
步骤1，将0.3g的PbS和10mL的乙二醇混合，得到溶液A；
步骤2，将溶液A在超声中通过非聚焦激光器辐照10min，激光器频率10Hz，波长1064nm，功率800mJ，得到溶液B；
步骤3，将2.5g的SnCl2·2H2O和40mL的乙二醇进行混合，得到溶液C；
步骤4，将2.0g的NaSeO3和溶液C进行混合，得到溶液D；
步骤5，将溶液B与溶液D进行混合，得到溶液E；
步骤6，将5g的NaOH与溶液E进行混合，得到溶液F；
步骤7，将溶液F放入反应釜中，在230℃下进行溶剂热反应36h；反应后的产物体系用去离子水和乙醇各清洗三次后在80℃下真空烘干，得到固体产物；
步骤8，将步骤7所得固体产物通过放电等离子烧结压制8min，压力70MPa，制得一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料。
本实施例制得的激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料，经塞贝克系数/电阻分析系统仪器测试表明，其塞贝克系数在150℃能够达到324.8uV/k，此时的电导率也达到了29.7S/cm。
实施例8
步骤1，将0.25g的PbS和10mL的乙二醇混合，得到溶液A；
步骤2，将溶液A在超声中通过非聚焦激光器辐照15min，激光器频率10Hz，波长1064nm，功率700mJ，得到溶液B；
步骤3，将0.5g的SnCl2·2H2O和40mL的乙二醇进行混合，得到溶液C；
步骤4，将1.0g的NaSeO3和溶液C进行混合，得到溶液D；
步骤5，将溶液B与溶液D进行混合，得到溶液E；
步骤6，将4.5g的NaOH与溶液E进行混合，得到溶液F；
步骤7，将溶液F放入反应釜中，在230℃下进行溶剂热反应32h；反应后的产物体系用去离子水和乙醇各清洗三次后在80℃下真空烘干，得到固体产物；
步骤8，将步骤7所得固体产物通过放电等离子烧结压制6min，压力60MPa，制得一种激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料。
本实施例制得的激光辐照PbS量子点嵌入SnSe热电材料，经塞贝克系数/电阻分析系统仪器测试表明，其塞贝克系数在150℃能够达到413.6uV/k，此时的电导率也达到了32.4S/cm。
参见图1，可知纯相SnSe的形貌为微米级的平板；
参见图2，可知制得的PbS/SnSe材料为带有花状的微米板；
参见图3，可知制得的PbS/SnSe材料是纯相的，且无杂相生成。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。