基于单壁碳纳米管与金属有机骨架材料复合制备新型高性能热电材料

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能源与环境是21世纪人类可持续发展的重要课题。热电材料是一种依靠固体内部载流子运动实现热能与电能直接转换的能源材料。有机/无机复合热电材料作为新兴的绿色能源材料,由于其低密度、低导热系数、高柔韧性和高度可调的分子结构等多种优点,引起了人们的广泛关注,近年来已快速发展为材料领域的前沿研究热点之一。热电材料的性能取决于三个物理参数:塞贝克系数(S)、电导率(σ)和热导率(κ)。其中,这三个参数相互依赖,往往难以同时提高。因此,在复合热电材料研究中,如何通过调节复合材料的组成与结构,同时显著提高S和?,以期大幅提高其热电性能,急需开展大量和深入的研究。本论文主要研究了单壁碳纳米管与金属有机骨架材料(SWCNT/MOF)复合热电材料的制备与热电性能,并探讨了复合材料退火处理过程中的结果与性能,得到具有优异热电性能的SWCNT/MOF复合热电材料。主要研究内容如下:1.采用高塞贝克系数的MOF材料与高电导率的SWCNT,通过原位复合过程,制备了高性能自支撑复合热电材料的柔性薄膜。首先,用混酸(硝酸:硫酸=3mL:1mL)掺杂SWCNT以进一步提高SWCNT的电导率并在其表面接枝羧基;然后,以SWCNT表面的羧基为中心,原位生长MOF晶体;得到的的混合液通过抽滤、洗涤、干燥以及退火等一系列步骤,最终得到复合热电材料的柔性自支撑薄膜。在此基础上,采用SEM、TEM、霍尔效应测量仪以及Seebeck系数测量仪等系统表征了复合材料的形貌结构与热电性能。结果表明,成功制备了具有高性能的MOF/SWCNT复合热电材料柔性薄膜,其电导率可达825.7±12.0 S cm-1,功率因子达到255.6±11.8μW m-11 K-2,是目前文献中MOF基热电材料的最高值。2.研究了退火处理对MOF/SWCNT复合材料热电性能的影响,并探讨了其影响机理。首先,通过TGA和控制变量法寻找热退火处理的最优条件。然后,通过TEM和FESEM观察退火前后材料微观形貌变化,结合FIIR、XRD以及拉曼光谱较深入地研究了退火处理提高MOF/CNT材料热电性能的机理。最后,将退火处理方法推广至其他MOF/CNT材料,并得到了相同结果。因此,退火是大幅提高MOF基复合材料热电性能的一种有效且简便的策略。
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