聚苯胺纳米复合材料的制备及热电性能研究

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热电材料,是一类能够实现热能和电能之间直接转换的特殊功能材料,在温差电致冷和温差发电方面都具有重要的应用前景。目前研究的热电材料,绝大多数均为无机半导体,原料昂贵,并且加工困难,热电性能提高相对困难。与无机半导体热电材料相比,导电聚合物不仅原料价廉易得,加工简单,而且热导率极低,是目前热电材料研究的热点。但是,导电聚合物的电导率和Seebeck系数较低,限制了导电聚合物作为热电材料的发展。所以,如何改善导电聚合物的电导率和Seebeck系数已成为提高导电聚合物热电性能的关键问题。导电聚合物中聚苯胺结构多样化,具有良好的稳定性,是研究最多的聚合物热电材料。本文以导电聚合物聚苯胺及其复合材料为主要研究对象,采用XRD、FT-IR、FESEM、TEM等手段对聚苯胺纳米复合材料的粉末和块体进行了物相和形貌表征,研究了质子酸掺杂和无机纳米复合对聚苯胺热电性能的影响。主要研究内容如下:(1)通过化学氧化法制备本征态聚苯胺,采用无机质子酸(盐酸)和有机质子酸(樟脑磺酸)分别对本征态聚苯胺进行掺杂,研究了质子酸含量对聚苯胺热电性能的影响,探讨了质子酸掺杂的机制。结果表明:聚苯胺的电导率随着质子酸浓度的增大而增加,电导率增加的主要原因是质子酸中氢质子转移至聚苯胺分子链上,使亚胺上的氮原子发生质子化反应,生成载流子,而且氮原子上的正电荷离域到大共轭π键中,π电子离域作用增强。(2)采用一种新的超低温机械冷冻研磨法制备了本征态聚苯胺/多壁碳纳米管复合材料,对复合材料的微观形貌和热电性能进行研究。结果表明:冷冻研磨法会大大提高碳纳米管在聚苯胺基体中的分散度,且碳纳米管的加入会提高复合材料的电导率和Seebeck系数。复合材料的电导率随着碳管含量的增加而上升,热导率增幅不大,电导率增加的主要原因是多壁碳纳米管与聚苯胺分子间存在强烈的π-π相互作用,而且碳管分散度的提高,增大了碳管与聚苯胺分子的接触面积,使得碳管表面与聚苯胺分子的π-π共轭相互作用增强,载流子在聚苯胺分子链内和链间的跃迁活跃能降低,电导率提高;碳管与聚苯胺间的纳米界面,有助于声子散射,降低热导。(3)采用液相法制备了一维的纳米材料铜纳米线,并通过原位氧化聚合法和超声混合法初步对聚苯胺/铜纳米线复合材料的制备进行了探讨,对产物的微观形貌和热电性能进行了研究,结果表明:水热反应24h铜纳米线的形貌最佳,暴露在空气中铜纳米线易被氧化。原位氧化聚合法合成聚苯胺/铜纳米线复合材料可行,反应时间为4-5h,样品电导率最大值是1.5×103S/m,且样品的电导率随着温度的升高而降低,表现为正温度系数。
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