ФГАОУ ВПО «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» , НИУ «БЕЛГУ» БИОЛОГО-ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ОБЩЕЙ ХИМИИ «Сольвотермально-микроволновый синтез Bi 2 Te 3» Выполнила: Студентка группы 84001102 Алифанова Екатерина Николаевна Научный руководитель: к. х. н, Любушкин Роман Александрович БЕЛГОРОД 2015 г.
Объект исследования: теллурид висмута Применение: термоэлектрические холодильные устройства, термогенераторы. Преимущества: • путем наноструктурирования можно увеличить показатель добротности; • легированием можно получить материалы n-типа и р-типа. Рисунок 1. Кристаллическая структура теллурида висмута 2
Актуальность работы Повышение термоэлектрической эффективности Квантовые точки, квантовые ямы Проблемы: Воспроизводимость результатов, массовое производство Показатель добротности Объемные термоэлектрические материалы, полученные из нанопорошков T – абсолютная температура; α – коэффициент Зеебека; σ – электропроводность; kel , kph – теплопроводность. 3
Цель работы: изучение влияния параметров синтеза на морфологию и фазовый состав наноразмерных порошков на основе Bi 2 Te 3 Задачи: • изучение влияния сорастворителей с различной диэлектрической проницаемостью, в условиях микроволнового нагрева, на морфологию и фазовый состав получаемых наноразмерных порошков на основе теллурида висмута; • подбор оптимальных параметров синтеза (P, T) и исследования их влияние на фазовый состав получаемого порошка Bi 2 Te 3. 4
Классические методы получения Bi 2 Te 3 Рисунок 2. Метод Чохральского* Рисунок 3. Метод Бриджмена-Стокбаргера* *Smirnova O. V. , Kalaev V. V. , Makarov Yu. N, Abrosimov N. V. , Riemann H. Modeling of Crystal Growth from the Melt // Journal of Crystal Growth. 2004. Vol. 266. P. 74 - 80
Химические методы синтеза Механизм жидкофазного восстановления солей теллура и висмута гидразином: 4 Bi+3 + 6 Te+4 +9 N 2 H 4 → 9 N 2 + 36 H+ + 2 Bi 2 Te 3 Рисунок 4. Автоклав для гидротермального и сольвотермального синтеза* * http: //www. inorg. chem. msu. ru 6
• Выбор растворителя для проведения реакции определяется не его температурой кипения, а его полярностью, полярность можно регулировать используя ионные жидкости; Рисунок 5. Схема нагрева образца микроволновым излучением: 1 – стенка реактора; 2 – локальный нагрев; 3 – реакционная смесь, поглощающая микроволновую энергию. • отсутствие градиента температур и высокий уровень контроля реакции (Р, Т, р) => хорошая воспроизводимость ; • сокращение времени реакции, увеличение выхода и чистоты продуктов. 7
Таблица 1. Исходные вещества, параметры синтеза и фазовый состав конечного порошка Прекурсоры Растворитель Параметры синтеза Фазовый состав, % масс Bi 2 O 3 Те. O 2 ДМФА: этиленгликоль (1: 1) T=190 °C P=35 бар τ=20 мин ω(Bi 2 Te 3) = 95% ω(Te) = 5% Bi 2 O 3 Те. O 2 i-C 3 H 7 OH: этиленгликоль (1: 1) T=190 °C P=32 бар τ=20 мин ω(Bi 2 Te 3) = 60% ω(Te) = 40% Bi 2 O 3 Те. O 2 1, 4 – диоксан: этиленгликоль (1: 1) T=190 °C ω(Bi 2 Te 3) = 38% ω(Te) = 62% P=33 бар τ=20 мин 8
Влияние сорастворителя на полноту восстановления Bi 2 Te 3 Рисунок 6. Рентгенограмма порошка, синтезированного с использование оксидов в качестве прекурсоров, в присутствие различных сорастворителей: а) 1, 4 -диоксан; б) изопропиловый спирт; в) N, N-диметилформамид 9
Морфология синтезируемых порошков Рисунок 7. ПЭМ изображения наночастиц Bi 2 Te 3, полученных методом сольвотермально-микроволнового синтеза, в присутствии N, N-диметилформамида 10
Рисунок 8. ПЭМ изображения наночастиц Bi 2 Te 3, полученных методом сольвотермально-микроволнового синтеза, в присутствии изопропилового спирта (а, б) и 1, 4 -диоксана (в, г) 11
Влияние давления сольвотермально-микроволнового синтеза Рисунок 9. Рентгенограмма порошка, синтезированного с использованием оксидов в качестве прекурсоров, в присутствии N, N-диметилформамида, при различных давлениях: а) 15 бар; б) 25 бар; в) 40 бар; г) 70 бар 12
Влияние температуры сольвотермально-микроволнового синтеза Рисунок 10. Рентгенограмма порошка, синтезированного с использованием оксидов в качестве прекурсоров, в присутствии N, N-диметилформамида, при различных температурах (P ≈ 40 бар): а) 135 °С; б) 150 °С; в) 180 °С 13
Выводы: • разработана методика сольвотермальномикроволнового восстановления оксидов висмута (III) и теллура(IV) этиленгликолем в среде N, Nдиметилформамида; • сольвотермально-микроволновый метод позволяет получить однофазный Bi 2 Te 3 с гексагональной кристаллической структурой, со средним размером частиц 50 нм; • установлены оптимальные условия синтеза: сорастворитель - N, N-диметилформамид, давление 40 – 50 бар, температура 180 – 190°С; 14
15
Микроволновый реактор ERTEC 02 -02 16
Термогенераторные батареи, производимые на маломинновационном предприятии, созданном при НИУ Бел. ГУ ООО «Термо. ЭНЕРГИЯ Бел. ГУ» 17
Скачать презентацию ФГАОУ ВПО БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Alifanova_E_N_Stud_konf_1.pptx