一種鉬基MXene熱電材料的製備方法
2024-04-15 00:03:05
一種鉬基mxene熱電材料的製備方法
技術領域
1.本發明涉及熱電材料技術領域，具體為一種鉬基mxene熱電材料的製備方法。
背景技術：
2.熱電材料指的是可以實現熱能與電能相互轉換的一類功能材料，其主要利用材料內部的溫度梯度和電壓的關係，即在施加溫差產生電壓(塞貝克效應)或是施加電壓產生溫度差(帕爾貼效應)來實現電能與熱能的直接轉換。熱電材料的主要優點在於無噪音、無汙染、維護成本低，在溫差發電和半導體製冷中具有廣泛的應用前景。熱電優值zt與功率因數pf是用于衡量熱電材料性能的常用參數，由公式zt＝σs
2 t/κ、pf＝σs2給出，其中s為材料的塞貝克係數，σ為材料的電導率，t為溫度，κ為材料的熱導率。
3.mxene是一類二維過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物的統稱，其一般化學式為mn+1xntx，其中m為過渡金屬，x為碳或者氮，t表示其表面基團，如氧，氫氧根等。由於獨特的二維層狀結構mxene表現出較好的物理化學特性，其豐富可調的表面基團帶來的性質可調也讓其能夠在不同場景下應用。在這些mxene中，鉬基的mxene表現出較為良好的熱電性能，在熱電領域具有較好的應用潛力。
4.mxene獨特的二維結構在熱電領域顯現出極大的應用潛力的同時也導致了其易氧化和製備過程複雜、產率低的問題，制約了mxene的實際應用。
技術實現要素：
5.基於上述背景技術中存在的問題，本發明提出了一種鉬基mxene熱電材料的製備方法，包括以下步驟：
6.步驟1、取max與氫氟酸按一定的比例在20-70℃的環境下加熱攪拌得到反應後的液體；
7.步驟2、將反應後的液體在離心的條件下離心一段時間後倒去上清液；
8.步驟3、取離心後的固體加水搖勻，重複離心洗滌至上清液ph＝7；
9.步驟4、倒去上清液後將剩餘固體乾燥成粉末；
10.步驟5、將粉末在一定溫度下施加20-25mpa的壓力，熱壓成片，得到鉬基mxene熱電材料。
11.優選地，所述步驟1中氫氟酸的質量分數為20-60％，所述步驟1中的加熱攪拌時間為40-160小時。
12.優選地，所述步驟1中max為mo2tialc2、mo2ga2c、mo2ti2alc3中的一種。
13.優選地，所述步驟1中max與氫氟酸按的比例為1gmax對應10-30ml氫氟酸。
14.優選地，所述步驟2中離心時的轉速為3500-5500r，離心時間5-50min。
15.優選地，所述步驟4中的乾燥溫度為20-50℃。
16.優選地，所述步驟5中熱壓時的溫度為100-300℃，熱壓1-3h成片。
17.相對於現有技術而言，mxene表面的羧基易於和氧氣與水分子反應，氧化降解生成
金屬氧化物。這一過程容易從mxene薄片的邊緣與缺陷處發生，使mxene片分解成小碎片，在電學性能變差的同時變得更易氧化。另外要得到單層的mxene需要對多層mxene進行插層和剝離，這個步驟也會導致許多未剝離的多層mxene浪費，使得產率降低。
18.針對mxene在熱電領域應用的問題，本發明公開了一種基於mxene熱電材料改進的製備方法，該製備方法提高了mxene的塞貝克係數，改善了mxene在製備過程中低產率的缺陷，同時大大縮短了製備時間，簡化製備流程。
附圖說明
19.圖1為本發明改進位備方法製備出的mo2tic2塊狀熱電材料x射線衍射圖。
20.圖2為mo2tic2塊狀熱電材料傳統製備方法與本發明改進位備方法製備的熱電材料溫差電動勢隨溫差變化的關係圖。
21.圖3為傳統製備方法與本發明改進位備方法製備的熱電材料塞貝克係數圖。
22.圖4為傳統製備方法與本發明改進位備方法的產率對比圖。
具體實施方式
23.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
24.應用實例1：
25.本發明提出了一種鉬基mxene熱電材料的製備方法，包括以下步驟：
26.步驟1、取mo2tialc2與質量分數在30-60％的氫氟酸按1g mo2tialc2對應10-30ml氫氟酸的比例在40-60℃的環境下加熱攪拌40-60小時；
27.步驟2、將反應後液體在轉速3500-5500r的條件下離心5-50min後倒去上清液；
28.步驟3、取離心後的固體加水搖勻，重複離心洗滌至上清液ph＝7。
29.步驟4、取最後一次倒去上清液後剩餘固體在20-50℃下乾燥成粉末；
30.步驟5、將粉末在250-300℃，20-25mpa的條件熱壓1-3h成片，得到具有熱電性能的熱電材料。
31.圖1中所示的x射線衍射圖譜與文獻中一致(shevchuk,k.,et al.mrs bulletin 47,545
–
554(2022))，表明本發明改進位備方法製備出的塊狀熱電材料為mo2tic2。
32.圖2為300k-335k範圍內傳統製備方法與本發明的改進位備方法製備出的mo2tic2塊狀熱電材料溫差電動勢隨溫差變化的關係。圖3為300k-335k範圍內傳統製備方法與本發明改進位備方法製備的mo2tic2塊狀熱電材料塞貝克係數。測試方式為使塊狀材料的一端維持在300k的溫度，另一端加熱測試兩端的電壓差。圖中數據表明mo2tic2塊狀熱電材料為n型熱電材料，在測試範圍中傳統製備方法mo2tic2的塞貝克係數大小為32-38μv
·
k-1
，本發明改進位備方法製備的mo2tic2塊狀熱電材料塞貝克係數大小為40-45μv
·
k-1
，改進位備方法製備mo2tic2塊狀材料在室溫下熱電性能具有一定的提升。
33.圖4中可以得出傳統製備方法的產率為5-15％，而本發明改進位備方法產率達到了接近理論最高產率90.7％的80-90％。
34.應用實例2：
35.本發明提出了一種鉬基mxene熱電材料的製備方法，包括以下步驟：
36.步驟1、取mo2ga2c與質量分數在49％的氫氟酸按1g mo2ga2c對應20ml氫氟酸的比例在55℃的環境下加熱攪拌100小時；
37.步驟2、將反應後液體在轉速3500r的條件下離心5min後倒去上清液；
38.步驟3、取離心後的固體加水搖勻，重複離心洗滌至上清液ph＝7。
39.步驟4、取最後一次倒去上清液後剩餘固體在30℃下乾燥成粉末；
40.步驟5、將粉末在300℃，23mpa的條件熱壓1h成片，得到具有熱電性能的熱電材料。
41.應用實例3：
42.本發明提出了一種鉬基mxene熱電材料的製備方法，包括以下步驟：
43.步驟1、取mo2ti2alc3與質量分數在49％的氫氟酸按1g mo2ti2alc3對應20ml氫氟酸的比例在55℃的環境下加熱攪拌50小時；
44.步驟2、將反應後液體在轉速3500r的條件下離心5min後倒去上清液；
45.步驟3、取離心後的固體加水搖勻，重複離心洗滌至上清液ph＝7。
46.步驟4、取最後一次倒去上清液後剩餘固體在30℃下乾燥成粉末；
47.步驟5、將粉末在300℃，23mpa的條件熱壓1h成片，得到具有熱電性能的熱電材料。
48.以上僅是本發明的優選實施方式，應當指出的是，上述優選實施方式不應視為對本發明的限制，本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明的精神和範圍內，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。