二维(Mo,W)S2及其复合材料的制备与热电性能

来源 :江西科技师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wp76155900
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能源一直以来都被称为人类工业文明发展的基石,在工业生产过程中被认为是不可缺少的动力。然而,伴随着人类社会的不断发展,人们对能源的需求也越来越多。在能源大量消耗的同时,能源消费带来的环境污染问题也越来越严重,给人们的生活带来了极大地不变,得到了全世界人类的重视。因此开发一种环境友好型清洁能源是目前急需解决的问题。热电材料是一种绿色的能源材料,可以实现热能和电能的直接相互转化,尤其是在这样一个全球能源和环境危机的形势中,不污染环境而且可以回收工业废热,利用太阳能量的热电材料更是引起了越来越多的研究者的关注。与传统块体热电材料相比,二维(2D)纳米材料由于它们独特的电子结构和杰出的物理性能,在过去的几十年得到了广泛的关注。因此,2D热电材料具有非常重要的潜在研究价值。二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)作为典型的2D材料,具有比较大的带隙和高的载流子迁移率,而且具有较高的Seebeck系数,是具有潜在价值的热电材料。然而,相对于目前研究比较热门的无机和导电高分子热电材料来说,硫化物的电导率值较低,而且原始的硫化物都为块状的材料,这些都不利于实际应用。为了提高硫化物的热电性能并剥离制备少层的硫化物纳米片,科研工作者做了很多的努力。将块体材料剥离成纳米片并与其它热电材料复合被认为是一种有效地提高热电性能的方法,因为通过复合可以结合材料之间的优势,从而能够实现复合材料的热电性能的优化。因此,选取合适有效的方法剥离制备硫化物纳米片并寻找合适的复合材料对充分利用其优点显得格外重要。本文采用了化学嵌锂剥离的方法制备得到了单层和少层的硫化物纳米片,并分别于导电高分子和石墨烯等进行复合,系统地测试和分析了它们的热电性能。1.通过化学嵌锂剥离的方法制备得到了单层和少层的具有金属1T相结构的MoS2纳米片水溶液,并通过真空抽滤的方法得到了MoS2薄膜。研究发现,化学剥离后的1T相MoS2纳米片薄膜的电导率比没有剥离前的半导体2H相MoS2纳米片提高了六个数量级,而且仍然具有较高的Seebeck系数,93.5μV K-1。通过测试得到热导率为0.28 W m-1 K-1,最后得到的最优的热电优值可以达到0.01。化学剥离的过程中可以实现半导体相到金属相的转变,这是热电性能提高的主要原因。2.首先通过化学嵌锂剥离的方法制备得到1T相结构的WS2纳米片水溶液,然后引入了不同含量的PEDOT:PSS,制备得到了具有较好柔韧性的复合物薄膜,并详细研究了它们的热电性能。研究发现,PEDOT:PSS的引入极大地提高了材料的电导率,从12.5 S cm-1增加到1025 S cm-1,大概是原始薄膜的100倍,表明了PEDOT:PSS的引入有利于载流子的有效传输。与此同时,Seebeck系数呈下降趋势。两种物质复合后,薄膜的最大功率因子可以达到45.2μW m-1 K-2,而且可以得到自支撑的柔韧性的薄膜。薄膜电导率的显著提高是由于PEDOT:PSS的引入会使载流子沿着PEDOT:PSS的链进行传输,因此会减小相邻WS2纳米片之间的能量障碍。3.通过简单的溶液加工的方法制备了还原氧化石墨烯(rGO)与硫化物(MS2,包括MoS2和WS2)的异质结构薄膜,并详细分析并研究了它们的热电性能。研究发现,rGO的加入能够在保持具有较高Seebeck系数的同时提高复合材料的电导率,因此能够实现对功率因子的优化。由于rGO的引入会在复合物内部形成rGO-MS2异质结,而rGO-MS2异质结的连接能够同时结合rGO高的电导率和硫化物纳米片高的Seebeck系数,在低的rGO的含量下得到了最大的功率因子。同时,可以制备得到自支撑的具有灵活性的复合物薄膜。rGO与硫化物类似的片层结构有利于异质结构的形成,从而有利于结合它们各自的优势,提高复合材料的热电性能。4.将化学剥离后的1T相MoS2和WS2纳米片水溶液通过溶液加工的方法制备得到复合物薄膜,并通过CuCl2盐溶液后处理,详细研究了它们的热电性能。研究发现,异质结构薄膜的形成有利于提高材料的热电性能,且CuCl2盐溶液能够进一步优化复合薄膜的性能。当极少量的CuCl2引入时,极大地提高了复合材料的电导率,从25 S cm-1提高到了72 S cm-1,是未处理前的三倍。因此功率因子得到了很大的提高,达到46?W m-1 K-1。当CuCl2的含量过多时会降低复合薄膜的电导率,不利于热电性能的提高。CuCl2的引入可能会使铜离子在硫化物纳米片内部形成超离子导体,加快了复合材料内部载流子的传递,减小了材料内部的能量势垒,从而提高了热电性能。
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