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用Cr取代Co提高Ca3Co4O9的热电性能

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【引言】

由于众所周知的塞贝克效应,热电材料可以将温差直接转化为电能。这一重要特性已引起人们对这类材料的广泛重视,以便将其应用于余热回收装置或太阳能热电发电机。此外,它们还可以用作加热/制冷设备。高性能热电材料应具有较大的塞贝克系数和较低的电阻率和导热系数。低电阻率是必要的,以尽量减少焦耳加热,而低导热率有助于在热电装置的冷热侧之间保持较大的温度梯度。

 

【成果介绍】

J. C. Diez等人采用经典的固态法合成了含少量铬的Ca3Co4-xCrxO9多晶热电陶瓷。微观结构表征表明,所有Cr均被纳入Ca3Co4O9结构中,Cr含量不大于0.05时未产生含Cr的二次相。表观密度测量表明所有样品都非常相似,密度约为理论密度的75%。在50 °C至800 °C的氦气氛围下,使用Linseis的塞贝克系数/电阻测量仪LSR-3测试了样品的电阻率和塞贝克系数。当铬含量增加时电阻率降低,塞贝克系数略有提高,直至铬加入量达到0.05为止。这两种参数的改进使得功率因数比传统的固相法得到更高的值。

 

【图文导读】

图片 (1).png 

图1 Ca3Co4-xCrxO9样品的粉末X射线衍射图谱,X分别为(a)0.00、(b)0.01、(c)0.03、(d)0.05和(e)0.10;

图片 (2).png

图2 扫描电镜显示0.05 Cr取代试样断口形貌为随机取向的层状晶粒。

图片 (3).png 

图3 0.03 Cr取代样品抛光段的扫描电镜分析。黑点表示块状物质的孔隙度

图片 (4).png 

图4 用扫描电镜对0.10 Cr取代试样的抛光段进行了近距离观察。灰色对应于Ca3Co4-xCrxO9和Ca3Co2O6相(#1),而深灰色对应于Ca1-xCrxO固溶体(#2)

图片 (5).png 

图5 不同Cr含量的Ca3Co4-xCrxO9试样中电阻率随温度的变化,X分别为()0.00、()0.01、(■)0.03、()0.05和()0.10

图片 (6).png 

图6 不同Cr含量的Ca3Co4-xCrxO9试样中塞贝克系数随温度的变化,X分别为()0.00、()0.01、(■)0.03、()0.05和()0.10

 


 

图7 不同Cr含量的Ca3Co4-xCrxO9试样中功率因数随温度的变化,X分别为()0.00、()0.01、(■)0.03、()0.05和()0.10

 

【结论】

本文表明Cr可以在不改变晶体结构和改善热电性能的情况下,以较小的比例(x≤0.05)取代Ca3Co4-xCrxO9中的Co。由于Ca1-yCryO非热电二次相的形成,进一步加入Cr会降低热电性能。根据在50 °C和800 °C时的测定的功率因数的值,确定了Co取代Cr的最佳含量为掺有0.05 Cr的样品,功率因数在50 °C和800 °C时的最大值分别为0.11 mW/K2和0.25 mW/K2,比未掺杂样品高25%左右


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