CdO基陶瓷的高温热电性能研究

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热电材料可以实现热能和电能之间的直接转换,在废热发电和无氟利昂制冷等领域具有良好的应用前景。氧化物热电材料在空气中具有较高的化学和热稳定性且成本低廉,在热电领域受到了越来越多的关注。CdO是一种常见的n型透明导电氧化物(TCO),近期的研究发现它同时表现出较好的高温热电性能,有可能用于高温区废热发电。本论文利用传统固相烧结法制备了Cd O多晶块体并研究了元素掺杂对其高温热电性能的影响,主要内容和结论如下:1)利用传统固相烧结法制备了Al掺杂的CdO多晶块体样品,通过掺入不同浓度的高价离子Al3+,调控其载流子浓度n并研究Al3+掺杂对CdO电、热输运性能的影响。实验发现,Al3+掺杂虽然能改善样品的功率因子S2σ,但因电子热导率κe的显著增大使总热导率κ有较大提高,不利于CdO整体热电性能的提升。2)利用传统固相烧结法制备了Sr掺杂的CdO多晶块体样品,研究等价离子Sr2+掺杂对其电、热输运性能的影响。一方面,因CdO和SrO电子亲和势的差别,Sr2+掺入使CdO的载流子浓度n降低,导致其电阻率ρ和塞贝克系数S同时增大,功率因子s2σ有所降低;另一方面,Sr2+掺入使CdO的电子热导率κe和声子热导率κph同时减小,总热导率κ大幅度降低,从而显著提升了其热电性能。1000K时,最佳掺杂量样品Cd0.97Sr0.03O的ZT值达到了0.40,比本征CdO样品提高了约25%,可与目前报道的最好的n型氧化物热电材料相比拟。3)研究了硫酸盐CuSO4·5H2O掺杂对其热电性能的影响。实验发现,CuSO4·5H2O高温分解后的产物(CuO和SO3)使样品的功率因子s2σ和热导率κ同时得到优化,从而获得了较高的热电优值。其中,最佳掺杂量样品Cd0.995Cu0.005O在1000K时的ZT值达到最大,约为0.41。
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