NaCo2O4热电材料掺杂的研究

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NaCo2O4材料是一种性能优异的热电陶瓷氧化物材料。本文通过对NaCo2O4进行掺杂,来研究掺杂对材料热电性能的影响。掺杂研究包括对NaCo2O4的Co位掺入Cu的研究,以及在Na位掺入Ag的研究。本文对样品分别掺入了不同组分含量的Cu和Ag,通过改变掺杂量的多少,来探究最优化的掺杂比例及材料性能变化的内部机制。所有样品的制备均采用传统的固相反应法。对制备出的样品进行了结构和热电性能的表征,并对结果进行了分析。实验手段包括XRD,SEM,电阻率(低温,高温),Seebeck系数和热导率。通过对NaCo2O4的Co位掺入Cu的研究,发现掺杂量太大时,材料的结构发生了变化。x≤0.35时,Na(Co1-xCux)2O4仍然具有NaCo2O4的结构,而x=0.40的样品的衍射图谱中主峰位置发生变化,由此可以知道当x=0.40时样品的晶格常数变化,这和Cu在固体中的溶解度有关,限制了Cu的掺入量。当x=0.15和x=0.20时,掺入Cu后样品的热导率比未掺杂的小。掺杂样品的Seebeck系数比未掺杂的样品的Seebeck有很大提高,其中x=0.15时样品的Seebeck系数最大。总体来看,在Co位掺入Cu,掺杂量为x=0.05和x=0.15时NaCo2O4材料的热电性能比未掺杂前有一定的改善和提高。通过对NaCo2O4的Na位掺入Ag的Na1-xAgxCo2O4的研究,发现材料的电阻率随着温度的升高而增大,呈类金属性。低温电阻部分,无掺杂时材料的电阻率最大,掺入Ag的量为x=0.05时,材料的电阻率最小,这是因为Ag的掺入导致了载流子浓度的改变。在高温电阻部分,掺杂量为x=0.5时材料的电阻率最小。掺入Ag后材料的热导率有所增大,但是NaCo2O4材料本身的热导率较小,与NaCo2O4的结构有较大的关系,Na0.5层Na离子的无序排布起了至关重要的作用。从Seebeck系数来看,Ag含量为x=0.05时最大,这可能与电子之间的强关联作用有关。综合各项参数的结果,计算出了掺杂对整体热电性能影响。从ZT值看,最优掺杂比为x=0.05,此时掺入Ag后材料的热电性能得到了很大的提高。
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