научная статья по теме ПОЛУЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ PBTE МЕТОДОМ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ АЦЕТАТА СВИНЦА Химия

Текст научной статьи на тему «ПОЛУЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ PBTE МЕТОДОМ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ АЦЕТАТА СВИНЦА»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2012, том 48, № 6, с. 654-660

УДК 546.87/86'24:54-165

ПОЛУЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ PbTe МЕТОДОМ

ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ АЦЕТАТА СВИНЦА © 2012 г. В. Г. Леонтьев*, Л. Д. Иванова*, К. Бенте**, В. Ф. Гременок***

*Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, Москва **Fakultät für Chemie und Mineralogie, Universität Leipzig Institut für Mineralogie, Kristallographie und Materialwissenschaft (Германия) ***ГО "НПЦНАНБеларуси по материаловедению", Минск e-mail: leontiev_v_g@mail.ru Поступила в редакцию 18.11.2011 г.

Изучена возможность создания микроструктурированного теллурида свинца с высокой плотностью границ зерен методом термического разложения ацетата свинца в присутствии теллура в восстановительной атмосфере с последующим холодным компактированием порошка и горячим прессованием брикетов. С помощью методов дифференциального термического и термогравиметрического анализов исследован процесс формирования высокодисперсных частиц теллурида свинца. Методами электронной микроскопии, рентгеновского микроанализа, анализа удельной поверхности частиц исследованы морфология и размеры частиц порошка, а также структура и состав зерен горяче-прессованных образцов в зависимости от условий получения и состава исходной смеси.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время материалы на основе теллурида свинца используются в приборах различного назначения для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую при температурах от 500 до 1000 К.

Согласно диаграмме состояния, теллурид свинца имеет узкую область гомогенности, не превышающую нескольких долей процента. В пределах этой области он может иметь как п-, так и ^-тип проводимости в зависимости от содержания теллура по отношению в стехиометрическому составу. Для достижения наибольшей эффективности материалов на основе РЬТе его легируют различными примесями (На, Т1, 8п) [1, 2]. В этом случае при рабочих температурах (800 К) термоэлектрическая эффективность ^Т) таких материалов может составлять = 1.8 [2]. Традиционный способ получения материалов на основе теллури-да свинца заключается в плавке шихты исходных элементов в откачанных кварцевых ампулах, длительном отжиге для гомогенизации слитка, дроблении с последующим горячим прессованием. Такой способ приводит к созданию структур с крупным зерном (более 100 мкм). Дальнейшее повышение ZT термоэлектрических материалов, согласно последним теоретическим и экспериментальным работам [3—5], возможно за счет уменьшения их зерен до уровня десятков нанометров. Это связано с особенностями электронной структуры наноразмерных зерен, которые, хотя и вызывают снижение электропроводности, одновременно могут приводить к увеличению ко-

эффициента Зеебека и значительному снижению теплопроводности. Большая поверхность границ зерен эффективно рассеивает фононы, но слабо влияет на транспорт носителей заряда, что и приводит к сильному снижению теплопроводности. В результате ZT наноструктурированного термоэлектрического материала возрастает по сравнению с крупнозернистым образцом [6, 7].

Целью данной работы было изучение возможностей создания микроструктурированного тел-лурида свинца с высокой плотностью границ зерен из порошка, полученного методом термического разложения соли свинца в присутствии теллура в восстановительной атмосфере с последующим холодным компактированием брикетов и их горячим прессованием.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Теллурид свинца получали термическим разложением механической смеси трехводного ацетата свинца и порошка теллура при температурах 200—400°С в токе восстановительного газа (Н2). Процесс синтеза проходил при медленном нагреве исходной смеси и выдержке при заданной температуре (250—400°С) 1 ч для полного протекания процессов разложения и взаимодействия компонентов. Расход восстановительного газа составлял 100 мл/мин. В качестве исходных материалов использовали: трехводный ацетат свинца РЬ(СН3СОО)2 • 3Н20 "ч.д.а." с содержанием нитратов 0.005, хлоридов 0.0005, Fe 0.001, К + На + + Са + 8г 0.01, Си 0.0005, мас. %) и порошок тел-

лура (чистота 99.999, размер частиц <56 мкм). Смесь получали механическим размолом пестиком в агатовой ступке. Соотношение атомов теллура и свинца в исходной смеси было как стехио-метрическим, так и сверхстехиометрическим с содержанием избыточного Те до 20 ат. %.

Часть образцов была приготовлена в графитовых тиглях с крышкой при контроле скорости нагрева, температуры, расхода газа и массы образца непосредственно в термогравиметрической установке NETZSCH STA 409. Скорость нагрева составляла 2.5 K/мин, масса исходной навески 0.5— 2 г. Для приготовления более крупных образцов использовали кварцевую лодочку, которую помещали в трубчатую печь с герметичным кварцевым ректором. В этой печи нагрев проходил с более высокой скоростью (10—20 К/мин). Выдержка при заданной температуре составляла 1 ч. Точность поддержания температуры ±5 К. Отходящий газ не анализировали.

Для приготовления компактных образцов из получаемого порошка для измерения термоэлектрических свойств, рентгеновского микроанализа и просвечивающей электронной микроскопии порошок подвергали холодному компактирова-нию, а затем горячему прессованию в стальной пресс-форме на воздухе при давлении 50 МПа. Время нагрева пресс-формы до температуры горячего прессования (350—370°С) составляло 1 ч.

Кристаллическая структура частиц исследовалась методами рентгеновской дифракции с использованием дифрактометра Siemens D 5000 с излучением Cu^a (X = 1.5418 Ä). В качестве внутреннего стандарта использовали взвеси порошков кремния или германия в ацетоне. Порошки PbTe исследовали на сканирующем микроскопе Hitachi S-806. Просвечивающую электронную микроскопию проводили с использованием Philips CM-200 STEM при ускоряющем напряжении 200 кВ. Для определения элементного состава зерен в прессованных образцах прибор оборудован калиброванной системой для рентгеновского микроанализа. Удельную поверхность частиц определяли анализатором TRISTAR 3000 (метод БЭТ). Для термогравиметрических исследований процессов синтеза частиц теллурида свинца (Tr-ДТГ) применяли NETZSCH STA 409pc, а для дифференциального термического анализа использовали NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix. Электропроводность и коэффициент Зеебека прессованных образцов определяли при комнатной температуре стандартными методами [8].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены результаты термогравиметрического анализа процесса разложения ацетата свинца (пунктирные линии 2.1 и 2.2) и

смеси порошка теллура и ацетата свинца (сплошные линии 1.1 и 1.2). Загруженная шихта нагревалась со скоростью 2.5°С/мин в токе водорода при непрерывной записи изменения массы навески за счет реакций разложения ацетата свинца и перехода в газовую фазу летучих продуктов термических реакций. Разложение трехводного ацетата свинца протекало в три хорошо различимые стадии. Наблюдался пик дегидратации ацетата и кипения выделявшейся воды при температурах 60— 100°С (рис. 1, линия 2.2, пик 1) и два пика разложения безводного ацетата свинца (рис. 1, линия 2.2 пики 2 и 3). Пики 2 и 3 соответствовали температурам 248 и 374°С. Изменение массы ацетата (рис. 1, линия 2.1) было примерно одинаково на каждой стадии разложения (14.6—14.9 мас. %). Поэтому можно полагать, что термическое разложение ацетата свинца с образованием металлического пирофорного порошка свинца протекало последовательно через стадии:

РЬ(СН3СОО)2 • 3Н20 = РЬ(СН3СОО)2 + 3Н2ОТ,(1)

РЬ(СН3С00)2 = РЬ(СН3СОО) + газТ, (2)

РЬ(СН3СОО) = РЬ + газТ. (3)

Температура последней стадии разложения составляла 340—380°С.

Смесь ацетата свинца и теллура разлагалась в две стадии. На рис. 1 (сплошная линия 1.2) видно, что сохраняется пик дегидратации трехводного ацетата свинца (рис. 1, пик 4), а два пика разложения ( линия 2.2, пики 2 и 3) заменяются одним, но более интенсивным при температуре 280°С (рис. 1, линия 1.2, пик 5), который почти на 100°С ниже начала последней стадии разложения ацетата свинца (линия 2.2, пик 3). Таким образом, процесс разложения ацетата свинца значительно изменялся при введении в систему порошка теллура. Это свидетельствует о сильном химическом взаимодействии ацетата свинца и теллура при температурах ниже температуры начала разложения.

На рис. 2 представлены результаты дифференциального термического анализа процесса разложения смеси теллура и ацетата свинца (смесь с атомным отношением РЬ/Те = 1). На ДСК-кри-вой присутствуют четыре различных тепловых эффекта: 1 — плавление безводного ацетата свинца при температуре 199°С, 2 — тройной пик взаимодействия ацетата свинца с теллуром и разложения в интервале температур 220—300°С, 3 — очень маленький пик при температуре 321°С (соответствует температуре плавления свинца) и 4 — также небольшой пик при температуре 416°С, который соответствует температуре плавления эвтектики РЬТе + Те. Наличие последних двух пиков свидетельствует о неполном взаимодействии ацетата свинца и теллура до начала разложения при данных режимах нагрева образца. Отсутствие тепловых эффектов при охлаждении объясняется до-

50 100 150 200 250 300 350 400

г, °С

Рис. 1. ТГ- и ДТГ-кривые нагревания РЬ(СЩС00Н)2 и смеси РЬ(СН3С00Н)2 + Те (скорость нагрева — 2.5°С/мин, атмосфера — водород; двойные пики дегидратации и кипения воды — 1и 4, пики разложения безводного ацетата свинца — 2 и 3; 5 — одинарный пик разложения продуктов взаимодействия безводного ацетата свинца и теллура): сплошные линии 1.1 и 1.2 — изменение массы образца и ее дифференциал при разложении смеси ацетата свинца и теллура, пунктирные линии 2.1 и 2.2 — изменение массы и ее дифференциал при разложении образца ацетата свинца соответственно.

статочно высокой скоростью взаимодействия остаточного теллура и образовавшегося при нагреве свинца.

На основе этих результатов можно полагать, что процесс плавления безводного ацетата свинца, его взаимодействие с Те и разложение продуктов взаимодействия можно представить следующими термохимическими уравнениями:

при 199°С: РЬ(СН3С00)2°1Ш = = РЬ(СН3С00)2диШ,

при 200—220°С: РЬ(СН3С00)2диШ + Те + Н2 ^

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком