固相法製備銅錳氧化物粉末及其燒結塊材熱電性質之研究

Translated title of the thesis: A study on powder preparation by solid-state reaction and thermoelectric properties of sintered bulk for copper manganese oxides
  • 謝 正忠

Student thesis: Doctoral Thesis

Abstract

氧化物熱電材料近年來備受矚目與研究。其中,改質固有且常見的氧化物熱電材料是個重要的研究方向,而開發新穎的氧化物熱電材料亦是個重要的研究方向。錳銅礦 (Crednerite) CuMnO2具有熱電材料特性的低能隙 (band gap) 和層狀結構 (layer structure),但以往並無其熱電相關之研究報導,本研究首次將之作為有潛力的熱電材料而作有序的研究。 首先,未摻雜的CuMn1+xO2 (x = 0 – 0 2) 粉末是以固相法製備並燒結成塊材,實驗是檢討不同的組成配比對 CuMn1+xO2 (x = 0 – 0 2) 塊材的結晶相、顯微結構和熱電性質之影響。燒結塊材的結晶相和顯微結構分別以X光繞射儀和掃描式電子顯微鏡分析,塊材的熱電性質之研究範圍則是從室溫至573 K。結果顯示不同的組成配比影響CuMn1+xO2燒結塊材的結晶相和熱電性質,x = 0 1或者x = 0 143的組成配比者可以得到CuMnO2的純相,其他的組成配比者會產生第二相 (CuO和Mn3O4);CuMn1+xO2 (x = 0 – 0 2) 燒結塊材皆為層狀結構。CuMn1+xO2 (x = 0 – 0 2) 塊材為p-type的半導體,其Seebeck係數 (S) 是隨著錳含量的增加至x = 0 1而增加,但電傳導率 (σ) 則呈現減少的趨勢,當錳含量持續增加時 (x > 0 143) ,Seebeck係數會呈現減少的趨勢而電傳導率則反之呈現增加的趨勢。CuMn1+xO2 (x = 0 – 0 2) 燒結塊材的?率因子 (PF) 因Seebeck係數之增加而明顯有增加的趨勢,而熱傳導率 (κ) 隨著量測溫度之增加而減少。第二相會影響塊材的電傳導率、Seebeck係數和熱傳導率。CuMn1 1O2燒結塊材具有最高的熱電優值 (ZT)。 其次, CuMn1 1-xExO2 (E = Mg Ca Sr x = 0 – 0 2) 粉末亦是以固相法製備並燒結成塊材,實驗是檢討不同的摻雜元素與其摻雜量對CuMn1 1-xExO2 (E = Mg Ca Sr x = 0 – 0 2) 塊材的結晶相、顯微結構和熱電性質之影響。結果顯示不同的摻雜元素和摻雜量皆會影響燒結塊材的結晶相、顯微結構和熱電性質。除了鎂摻雜的塊材其摻雜量x增加到0 15時會出現Mn3O4的第二相之外,其他的摻雜試樣其結晶相皆為錳銅礦的CuMnO2相。由Seebeck係數可知CuMn1 1-xExO2 (E = Mg Ca Sr x = 0 – 0 2) 塊材為p-type的半導體,並且陽離子的置換可增加其電傳導率、減少熱傳導率而Seebeck係數變化不大。CuMn0 9Mg0 2O2的燒結塊材在室溫時具有最低的熱傳導率和最大的熱電優值。 再者, CuMn1 1O2/xAg (x = 0 – 10 wt %) 粉末亦以固相法製備並燒結成塊材,實驗是檢討不同的銀添加量對CuMn1 1O2/xAg (x = 0 – 10 wt %) 塊材的結晶相、顯微結構和熱電性質之影響。結果顯示不同的銀添加量皆會影響燒結塊材的結晶相、顯微結構和熱電性質。全部試樣的主相和顯微結構均為CuMnO2與層狀結構,銀添加量大於4 wt %的塊材能發現銀的峰值。添加銀的CuMn1 1O2/xAg (x = 0 – 10 wt %) 塊材仍為p-type半導體,添加銀可有效增加其電傳導率、明顯減少Seebeck係數和熱傳導率。CuMn1 1O2/8 wt % Ag的燒結塊材在573 K時具有最大的熱電優值。 最後,CuMn1 1O2、CuMn0 9Mg0 2O2和CuMn1 1O2/8 wt % Ag是選取各節具有最大ZT值的試樣,分別整理三者在室溫的材料特性和熱電性質作為不同製程間的討論。不同製程的銅錳氧化物塊材均能獲得CuMnO2的主相和層狀結構,其中,以未改質的CuMn1 1O2塊材具有最大的室溫Seebeck係數、CuMn0 9Mg0 2O2塊材具有最小室溫的熱傳導率,而CuMn1 1O2/8 wt % Ag塊材具有最大的室溫電傳導率和熱電優值。
Date of Award2016 Sep 2
Original languageChinese
SupervisorChii-Shyang Hwang (Supervisor)

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