用正电子湮没研究热电高分子复合材料的自由体积和界面结构及其对热电性能的影响

Polymer based organic thermoelectric material has the advantages of low thermal conductivity, light weight, high flexibility and low cost of fabrication, which make it desirable for thermoelectric device applications. However, at present the organic thermoelectric materials have low figure of merit. It has become a very urgent task to effectively improve the thermoelectric properties of the materials. In this project, we will put the research focus on the free volume and the interface between inorganic particles and the polymer matrix. We will systematically study the effect of microstructures on the thermal and electric properties. The main contents include: 1)Study of the effect of free volume hole size, concentration, and size distribution on the electric and thermal conductivity; 2)Characterization of the microstructure of the interface between inorganic particles and the polymer matrix; 3)Adjustment of the interface microstructure through changing the morphology and structure of the inorganic particles and other methods of structure modification; 4)Effect of the change of interface microstructure on the thermoelectric properties of polymer composites, and the possible way to improve the thermoelectric properties. The results of this project will be of help in understanding the interaction of free carriers and lattice phonons with free volume hole and interface, and will also provide important guidance on how to improve the energy conversion efficiency of thermoelectric devices.

高分子热电材料由于具有较低的热导率、质量轻、高韧性、高弹性、资源丰富、成本低等优点，是制备商业化热电转换器件最有前景的材料之一。但是有机热电材料的热电优值普遍较低。因此，如何有效提高这一类材料的热电性能是目前亟待解决的问题。本项目将研究重点聚焦于高分子材料中的自由体积和复合材料的界面，系统地研究热电高分子复合材料的微观结构对宏观热电性能的影响。主要研究内容包括：1）研究高分子材料中自由体积孔洞大小和浓度及尺寸分布对电导率和热导率的影响；2）研究高分子复合材料中无机纳米颗粒与有机物形成的界面微结构；3）通过改变无机纳米颗粒结构及形貌，结合其它改性手段，对有机-无机界面微结构进行有效调控；4）研究界面微结构的变化对复合材料热电性能的影响，寻求提高复合材料热电性能的有效途径。项目研究结果将有助于理解自由体积孔洞以及两相界面与载流子及声子相互作用的机制，为提高热电转换器件的效率提供重要理论指导。

随着化石能源的日趋紧缺以及环境污染的加剧，寻求新型的能源转换技术已是目前亟待解决的问题。热电材料能够实现温度差与电势之间的相互转换，可将大量的剩余热量如工业余热等转换为电能，是一种绿色的能源转换技术。目前性能较好的热电材料一般为无机材料，大多数含有毒重金属，价格昂贵，机械性能较差。有机热电材料具有材料质轻、高延展性、低成本、易制备等优点，目前引起了研究者的广泛关注。本项目利用正电子为灵敏探针，系统研究了几种有机/无机热电复合材料，探索了微观结构对材料热电性能的影响。取得的主要结果如下：1）利用化学氧化合成法合成了聚(3,4-乙烯二氧噻吩)（PEDOT）/ In2O3高分子复合材料。正电子湮没研究揭示In2O3与PEDOT基体形成了界面结构。复合材料的电导率随In2O3含量增加而明显提高，且热导率相比In2O3和PEDOT都更低，最终复合材料的热电优值ZT由0.015×10-4提高到了0.073×10-4。2）用同样方法制备了MWCNT/PEDOT复合材料，其导电率随MWCNT含量增加明显增大且一直增加，相应的功率因子相对于纯的PEDOT提高了近56倍。复合材料的热导率相对于纯PEDOT略有升高，最终复合材料的热电优值增加了近30倍。3）采用溶液混合、超声分散以及机械球磨制备聚噻吩/碳纳米管二元复合材料，当碳纳米管含量从10 wt%增加到50 wt%，聚噻吩/碳纳米管二元复合材料的电导率从61.34 Sm-1增加到1035.55 Sm-1，而Seebeck系数从20.18 μVK-1降低到13.33 μVK-1，热导率则变化不大，最终二元复合材料在碳纳米管含量为40 wt% 时在433K得到最大ZT值3.05×10-4。4）进一步制备了聚噻吩/SnSe /碳纳米管三元复合材料，当碳纳米管含量从10 wt%增加到50 wt%，电导率从94.36 Sm-1增加到1221.89 Sm-1，而 塞贝克系数及热导率没有明显变化。三元复合材料在433.5 K得到最大ZT值2.29×10-4。5）制备了有序介孔碳（OMC）与聚苯胺的复合物。随着OMC含量的增加，电导率上升，塞贝克系数下降，功率因子下降，但由于孔结构对声子的散射，热导率随OMC含量的增加而降低。