结构有序的石墨烯/导电聚合物复合薄膜的层层自组装构筑及其热电性能研究

导电聚合物由于独特的结构与性能作为一种潜在的室温区热电材料愈来愈引人注目，但其无序的分子链结构导致了低的载流子迁移率和电性能，如何提高导电聚合物的电传输性能（热电功率因子）是亟待解决的关键问题。二维结构有序的石墨烯表面存在着大量的π键，可以与导电聚合物形成强的π-π共轭效应；同时石墨烯的电传输性能优异，单层石墨烯的载流子迁移率接近无限大，并且作为量子点，可应用于复合体系提高塞贝克系数。本项目拟对导电聚合物和石墨烯进行化学改性和非共价修饰，通过静电层层自组装技术制备石墨烯/导电聚合物复合薄膜，利用石墨烯结构和排列的有序性以及石墨烯与导电聚合物间的π-π共轭效应诱导聚合物分子链的有序排列，提高材料的载流子迁移率；利用复合材料中纳米结构的量子尺寸限域效应和能量过滤效应增加塞贝克系数；利用纳米界面对声子的散射效应降低热导，最终获得高性能的石墨烯/导电聚合物复合热电材料。

如何提高导电聚合物的电传输性能（电导率和塞贝克系数）是目前有机热电材料研究领域前沿性课题，也是热电材料自身发展的迫切要求。已有的研究结果表明，无机-有机纳米复合是提高导电聚合物热电性能的有效途径。本项目以石墨烯/聚苯胺复合材料为主要研究对象，以探明复合材料中的电热传输机制，获得高性能的石墨烯/聚苯胺复合热电材料为主要研究目的，系统研究了溶剂作用、石墨烯复合对聚合物分子微观链结构状态和热电性能的影响及其作用机制，最终获得了高热电性能的石墨烯/聚苯胺复合材料。.主要成果如下：（1）发现间甲酚溶剂与聚苯胺分子间的化学相互作用使得聚苯胺的分子构象由卷曲变为舒展，有利于聚苯胺分子形成有序的链排列；（2）揭示石墨烯的结构缺陷和氧含量是影响复合薄膜热电性能的重要因素，低缺陷、低氧含量的石墨烯可以与聚苯胺间形成强的ππ共轭效应，有助于诱导聚苯胺分子形成更加有序的分子链排列；（3）以间甲酚为溶剂，低缺陷、低氧含量的石墨烯为第二相，通过液相复合法制备了石墨烯均匀分散于聚苯胺基体的石墨烯/聚苯胺复合薄膜。发现在溶剂和石墨烯的协同诱导下，大幅增加了聚苯胺分子排列的有序性，提高了电导率；同时石墨烯纳米片和聚苯胺间形成了大量的纳米界面，优化了赛贝克系数。最终，复合薄膜的最高电导率和赛贝克系数分别为814S/cm和26V/K，最高热电功率因子达到了55W/m K2，这是目前报道的石墨烯/聚合物复合材料热电性能的最大值。（4）在以上研究的基础上，采用类似的设计思路，制备了碳纳米管/聚苯胺复合薄膜，发现在溶剂和碳纳米管诱导的协同作用下，在近碳管表面形成了高度有序的PANI界面层，使得复合薄膜的热电性能异常增加。复合薄膜室温的最大电导率和塞贝克系数分别达到769S/cm and 65V/K，最高热电功率因子和ZT值分别为176W/mK2 和 0.12，是目前报道的有机/无机复合材料热电性能的最优值。.本项目共发表标注项目号的SCI收录的论文5篇，其中J. Mater. Chem.1篇（IF=6.626），J. Mater. Chem. A 3篇，Energy Environ. Sci.1篇（IF=15.49）。申请中国专利2项。