(苯胺-b-氧乙烯-b-苯胺)三嵌段共聚物的离子化和热电性能的研究

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在能源日益枯竭的今天,热电材料在可再生能源方面被寄予厚望。地球上有无处不在的热源:从太阳能到工业或车辆废气,都可以使用热电材料转换成电力。聚苯胺(PANI)是最常见的导电聚合物之一,由于其易合成、高稳定性、可控的导电性和有趣的氧化还原性质而引起了相当大的关注。但聚苯胺在有机溶剂中的溶解度较低,且加工性差,制约了聚苯胺的实际应用。苯胺寡聚体在保留聚苯胺优异性能的同时,因其所独有的纳米结构增大了比表面积,进一步提高了聚苯胺的掺杂、氧化还原等反应速率,因此有望在热电领域得到广泛的应用。而在我们的前期研究中,与聚苯胺相比,苯胺四聚体三嵌段共聚物具有明确的分子结构、高的塞贝克系数和良好的加工性,但导电性差。而PEDOT:PSS(CLEVIOS PH1000)是一种导电性很强的导电高分子材料,PEDOT本身不溶于大多数常见的溶剂,而PSS乳化后的PEDOT则可以很好的分散在一些极性溶剂中。CLEVIOS PH1000是CLEVIOS系列产品中具有最佳导电性的PEDOT:PSS水分散体,其拥有优异的导电性能,但是其塞贝克系数较低,导致其功率因子不高。本论文试图将苯胺四聚体三嵌段共聚物离子化、并与PEDOT:PSS相结合,发展高性能有机热电高分子材料。本文的主要研究内容如下:(1)以苯胺二聚体为原料,使用氧化偶联法合成苯胺四聚体,再与双羧基聚乙二醇(HOOC-PEO-COOH)反应制备三嵌段共聚物,然后将PEDOT:PSS和(ANI)4-b-PEO600-b-(ANI)4共混,浇铸成膜。研究了组成比例不同的薄膜热电性能,优化工艺,获得最大功率因子。研究结果表明:PEDOT:PSS组分,赋予苯胺嵌段共聚物高的电导率,室温下PEDOT:PSS/(ANi)4-b-(PEO)600-b-(ANi)4复合薄膜的比例为100:1时,经处理后的电导率最高可达为32553 S/m,塞贝克系数21.53μV/K;PEDOT:PSS与(ANi)4-b-(PEO)600-b-(ANi)4的复合比例为100:20时,处理后的复合薄膜功率因子最大,为14.61μW/(m·K2),此时电导率为30252S/m,塞贝克系数为22.05μV/K。当(ANi)4-b-(PEO)600-b-(ANi)4比例继续增大时,会出现p-n转变,由p型变为n型,塞贝克系数较高;当比例为100:100时,可达-204.28μV/K,但整体功率因子因电导率的骤降而降低,限制了复合薄膜整体热电性能的提升。(2)以(ANI)4-b-PEO600-b-(ANI)4、Li Cl、Na型分子筛为原料,采用共混的方法将(ANI)4-b-PEO600-b-(ANI)4中的PEO进行离子化,探究离子化前后三嵌段共聚物的热电性能变化。结果表明:未离子化,三嵌段共聚物的塞贝克系数基本保持不变,最高可达41.8μV/K;离子化之后,三嵌段共聚物随着环境湿度的增加,塞贝克系数的绝对值不断增大,且三嵌段共聚物的塞贝克系数由离子化之前的P型转变为离子化之后的N型,离子化之后的塞贝克系数绝对值较离子化之前增大了两个数量级,在79%RH下可达-4342μV/K,此时电导率为0.00102S/m。(3)以离子化三嵌段共聚物为添加剂,DMF为溶剂,将离子化之后的(ANI)4-b-PEO600-b-(ANI)4与PEDOT:PSS共混,然后浇铸成膜。研究不同比例复合薄膜在不同环境湿度下的热电性能,并优化工艺,获取最大功率因子。研究结果表明:随着(ANI)4-b-PEO600-b-(ANI)4-ion含量的增加,塞贝克系数增大对复合薄膜功率因子的贡献抵消了电导率降低带来的负面影响,因而复合薄膜的的功率因子不断增大。当复合比例为100:25时,在相对湿度为79%,复合薄膜的功率因子最大可达4.65μW/(m·K2),此时电导率为12346S/m,塞贝克系数为19.37μV/K。
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