基于PEDOT:PSS柔性热电器材的制备及其性能研究

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热电材料是基于热电效应,可用来制备热能与电能直接转换的器件,需要具备高热电转换效率。传统热电材料为无机热电材料,具有较高的热电转换效率,在手机,汽车,航空等领域已有相应产品问世。但无机热电材料存在制作工艺复杂,大多需要高温高压,制作原料成本高昂,原料多为贵金属,且可加工性能较差,缺少柔性等问题。人们开始关注于有机热电材料,其中聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)是研究最多,被认为潜力最大的有机热电材料之一,其制备工艺简单,原料易得,可加工性强,且具有柔性和高透光率,使用范围广阔,然而因其热电转化效率还未能达到应用要求。无机纳米材料复合是提高PEDOT:PSS热电性能的重要途径之一,良好的复合可以发挥多种材料的优势,而避免单一材料的缺陷。因此,本文选择纳米银线,石墨烯纳米材料来改善PEDOT:PSS柔性热电薄膜性能,并制备了相应的PEDOT:PSS复合热电纺织物。结果如下:(1)首先通过化学氧化聚合法制备PEDOT:PSS,利用棒涂法在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上进行涂膜,通过改变PSS用量,发现m PEDOT:m PSS=1:2.5时得到的PEDOT:PSS薄膜热电效率最高,最高功率因子为1.2×10-2μW/(m?K~2)。确定封装工艺能够有效提高薄膜的附着力与耐弯曲性能,复合薄膜具有较高透光率。(2)采用多元醇法制备纳米银线(AgNWs)。通过扫描电镜和紫外光谱对产物进行了结构分析。AgNWs的直径约为60nm,长度约为10μm。利用浸渍提拉法与棒涂法在PET基底上制备AgNWs复合PEDOT:PSS薄膜。浸渍提拉法得到的薄膜,纳米银线排布具有方向性,提高薄膜整体的导电性能,在增稠剂用量4wt%,提拉速度为6cm/min,AgNWs用量15wt%时,得到复合薄膜最高功率因子5.4×10-1μW/(m?K~2)。(3)通过高锰酸钾和浓硫酸将石墨边缘氧化,加入双氧水与氨水混合溶液对边缘氧化的石墨进行剥层,得到边缘氧化石墨烯(EGO)。采用乙二胺对其氨基化改性,得到氨基边缘改性的石墨烯(NEGO)。将其与PEDOT:PSS水分散液混合,制备出PET基NEGO/PEDOT:PSS透明热电薄膜。当NEGO掺杂量为3wt%时,所得到的薄膜热电效率最高,透光度高于80%,功率因子最高达到了9.9×10-1μW/(m·K~2)。(4)在棉织物上通过浸渍制备AgNWs/PEDOT:PSS,NEGO/PEDOT:PSS复合热电纺织物,分别得到功率因子0.18μW/(m·K~2),0.11μW/(m·K~2)。对样品使用性能进行测试,结果表明所得热电纺织物具备良好的力学性能与热稳定性能。制备了在室温下使用的热电手环,体表与环境温差20℃时,得到热电势0.03V。
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