聚乙撑二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐/石墨烯纳米复合热电材料制备及性能研究

Thermoelectric material is a new environmental-friendly material. Because of the direct conversion between thermal and electrical energy, thermoelectric materials are applied in thermoelectric power generators and Peltier coolers. At present, the most used thermoelectric material is inorganic semiconductor, but it is hard to improve the thermoelectric properties for their low conversion efficiency, high cost and poor processability. Compared with inorganic thermoelectric materials, conducting polymers possess several attractive features such as the low thermal conductivity and low cost derived from available resources and easy synthesis. Recently, the most popular polymer material is Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT)-doped with polystyrene sulphonic acid (PSS). But its low electrical conductiviity and the Seebeck coefficient hinder the progress of the researches. This research program gives a new method-micro explosion to prepare graphene, and then prepare PEDOT:PSS/graphene composites via ultra-low temperature Cryogenic Grinding method.Through microstructure research we can find the relationship between the microstructure and the conductivity of this kind materials, which will help us to prepare the PEDOT:PSS/graphene thermoelectric materials with high thermoelectric properties.

热电材料是一种绿色环保的新型能源材料，它能够实现热能和电能之间转换，在温差电制冷和温差发电方面都有很好的应用前景，这种热电转换技术对缓解环境污染方面有着重要的意义。目前大多热电材料为无机材料，但由于无机材料原料昂贵，且加工性不好，要提高热电性能相对较难。与无机热电材料相比，聚合物热电材料不仅原料低廉，加工性好，而且热导率低，聚合物热电材料中聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）-聚苯乙烯磺酸盐（PSS）体系材料是目前有机热电材料的研究热点。但是由于低电导率和塞贝克系数阻碍了PEDOT：PSS的研究进展，所以提高其导电性能成为了目前的一个研究热点。本研究计划采用微爆法制备石墨烯带，利用超低温研磨复合制备PEDOT:PSS/石墨烯纳米带复合材料。通过对微观结构的研究，确定不同组成对其导电性能的影响，进而为高性能PEDOT:PSS/石墨烯热电材料的微结构设计与制备提供科学依据。

热电材料是一种通过载流子的传输来达到热能与电能之间相互转换的功能性材料，在热电制冷和温差发电方面有广泛的应用前景。该种材料是一种绿色环保的新型能源材料，对缓解环境污染方面有极为重要的意义。目前研究重心主要是无机热电材料，但在应用过程中无机热电材料存在原料昂贵、加工性差、有害健康等问题。相比于无机热电材料，聚合物热电材料不仅原料低廉，加工性好，而且热导率低，其中聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）-聚苯乙烯磺酸盐（PSS）体系材料是目前有机热电材料的研究热点。但其较低的电导率及塞贝克系数限制了其在热电领域的应用。因此提高PEDOT：PSS的热电性能亟待解决。.本项目采用不同复合方法及不同材料体系制备了PEDOT：PSS基复合热电材料（如AgNWs/PEDOT:PSS、AgNPs/PEDOT:PSS等），进一步拓展至聚苯胺（PAN）基热电材料的研究上（如CSA:PANI/BST NSs、PANI/rGO等），并通过放电等离子体烧结（SPS）技术快速烧结得到块体复合热电材料。采用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、热电测试系统（ZEM）和激光热导等手段对复合材料的物相、显微观结构和性能进行表征。结果表明，通过低维度金属纳米颗粒及无机半导体纳米颗粒的掺杂，可综合有机基材低热导率和无机及金属材料高导电率高塞贝克的优势，同时在界面处引入能量势垒，实现电导率、塞贝克系数及热导率的调控，从而获得较高的热电优值（ZT），使复合材料的热电性能大幅度提升。基于复合方法对复合材料表观形貌、物相结构的研究，创新性地将冷冻研磨技术与热电材料制备技术相结合，实现无杂质引入的均匀复合，有效避免了低维度材料的团聚现象，该方法为有机热电块体复合材料的制备提供了一种新的途径。本项目建立了一种低维度纳米材料与有机基体通过冷冻研磨等复合方法制备热电块体材料的方法，为有机热电材料的优化设计提供新的途径，对有机热电材料的实际应用具有极其重要的意义。在本项目的资助下，在Scripta Materialia、J. Mater. Sci、RSC Advanced等期刊发表SCI论文4篇，申请国家发明专利2项，其中1项已获授权。