【摘 要】
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伴随着科技、经济以及社会化进程的飞跃式发展,日趋严峻的能源危机已成为笼罩在人类发展道路上挥之不去的阴霾。开发新型绿色可持续能源转换技术势在必行且迫在眉睫。热电转换技术因可直接且可逆地实现热能与电能间的转换而被寄予厚望。设计和开发绿色高效的热电材料对于热电转换技术的应用具有重要意义。近年来,过渡金属硫化物(TMDs)因量子尺寸效应影响下展现出的独特理化性质以及丰富的储量而在热电领域得到广泛关注和深入
【基金项目】
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国家自然科学基金(51572117,51463008,51402134,22065013); 江西省自然科学基金(20151BAB217024,20161BAB216129); 江西省教育厅基金(GJJ150809,GJJ170663); 江西省青年科学基金,基于二维纳米限域界面调控的
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伴随着科技、经济以及社会化进程的飞跃式发展,日趋严峻的能源危机已成为笼罩在人类发展道路上挥之不去的阴霾。开发新型绿色可持续能源转换技术势在必行且迫在眉睫。热电转换技术因可直接且可逆地实现热能与电能间的转换而被寄予厚望。设计和开发绿色高效的热电材料对于热电转换技术的应用具有重要意义。近年来,过渡金属硫化物(TMDs)因量子尺寸效应影响下展现出的独特理化性质以及丰富的储量而在热电领域得到广泛关注和深入研究。二硫化钛(TiS2)作为天然的n型TMDs材料,因其室温下出色的金属导电性以及超高的Seebeck系数,在当前n型热电材料相对稀缺的环境下显示广阔应用前景。然而,目前有关TiS2热电性能的研究主要集中于合成难度较高的刚性晶体材料中。尽管这些晶体材料普遍具有完美的超晶格结构以及出众的热电性能,但却不适用于当前对材料柔性要求较高的可穿戴热电器件中。因此,迫切需要设计和开发易制备、易拓展的新型高性能TiS2基热电薄膜材料以应对当前热电转换技术的实际发展需求。此外,对于已有材料的性能优化也是热电研究的重要课题之一。材料的宏观热电性能通常由其微观结构决定。因此,探究材料微观结构与宏观热电性能间内在联系;探索如何利用微观结构来调控和优化宏观热电性能,对于热电材料的应用与发展具有十分重要的意义。本文通过不同策略制备了多种TiS2纳米片基热电薄膜,并采用表征手段和理论分析尝试对复合材料微观结构与热电性能间的内在联系进行分析和阐释。主要研究成果如下:1.通过嵌锂剥离、超声分散和胶体自组装策略成功制备了由溶液可处理的单层或少层TiS2纳米片构成的胶体与薄膜,并对其氧化性及热电性能进行了研究。研究发现,TiS2纳米片薄膜的电导率、Seebeck系数以及功率因子分别可达338.98 S cm-1、-84.29μV K-1和240.83μW m-1 K-2。出色的热电性能主要得益于TiS2纳米片能带重叠、带隙减小以及局部电荷失配。然而,由于TiS2纳米片具有负电荷表面和一定数量的缺陷结构,因此其胶体在水氧环境下极易被氧化。2.通过溶剂置换策略制备了多种Alcohol-TiS2复合材料,并对其胶体抗氧化性及薄膜热电性能进行了研究。研究发现,通过醇类的溶剂置换作用可有效提升TiS2纳米片的抗氧化性,这主要与纳米片内环境的改变有关;特别地,抗氧化性的提升效果与醇羟基含量呈正相关。对于薄膜热电性能研究发现,溶剂置换可对薄膜热电性能造成显著影响,特别是经由甲醇处理所获得的MT-TiS2薄膜的电导率和Seebeck系数最高可达99.38 S cm-1和-94.38μV K-1。热电性能的改变主要与介电限域效应以及能量过滤效应有关。该工作为调控TMDs纳米片材料抗氧化性以及热电性能提供了可行的参考。3.创新地提出了一种预保护策略并以此制备了(EDTA-2Na)-TiS2复合材料,对其胶体抗氧化性及薄膜热电性能进行了研究。研究发现,添加保护剂EDTA-2Na可有效提升纳米片胶体的抗氧化性,这主要是由于保护剂抑制了H2O分子的电离,减弱H2O分子在纳米片边缘及缺陷处的吸附和结合。通过对薄膜热电性能研究发现,含有预保护剂的E-TiS2薄膜电导率最高可达1.51×104 S m-1,电导率的变化主要与纳米片中限域H2O分子含量降低以及局部电子密度改变有关。该工作为调控TMDs纳米片材料的理化性能提供了一条有效的新途径。4.通过简单的组装策略制备了多种PEDOT:PSS-TiS2复合薄膜,并对其热电性能进行了研究。研究发现,形成独特的p-n型异质界面有助于改善材料的Seebeck系数,这与两种不同导电机制的材料间因电荷传递而产生的能量过滤效应有关;特别地,两种异质结构薄膜P1-TiS2和T45-P10-T45的功率因子分别为可达248.51μW m-1 K-2和368.58μW m-1 K-2,远高于大部分TMDs基热电材料。该工作为利用异质界面来优化TMDs纳米片材料热电性能提供了一种独特的设计思路。
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