酸碱二次处理对聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸热电性能的影响

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近年来,由于环境及能源问题的突出,迫使越来越多的科学家致力于新能源材料的开发及应用。热电材料作为一种环境友好型绿色能源转换材料,可应用于发电和制冷领域,利用热电技术能直接实现热能和电能之间的相互转换,因而在不污染环境的条件下,实现废热的充分利用和能源的节约。导电高分子具有资源丰富、可加工性强、较低的热导率和良好的环境稳定性等优点,因此近年来,其作为一类新型的热电材料倍受关注。聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)具有较高的电导率、较低的热导率、良好的环境稳定性及其独特的“金属及非金属”性能,被认为是非常具有潜在价值的有机热电材料之一。因此PEDOT:PSS热电性能的研究工作,具有十分重要的理论和现实意义。本文采用酸碱二次处理方法制备了PEDOT:PSS薄膜及其复合材料,并对所得到的薄膜的热电性能进行了系统地测试和分析。1.选用不同浓度的草酸(oA)溶液在140℃的加热板上对PEDOT:PSS薄膜进行处理,得到PEDOT:PSS/OA薄膜。热电性能测试表明,草酸溶液处理后的PEDOT:PSS薄膜具有较高的电导率和稳定的Seebeck系数。草酸浓度达到0.8M时,电导率最高达为392.8S cm-1,对应的功率因子为9.7μWm-1K-2;2.选择不同添加量的尿素对PEDOT:PSS掺杂,得到不同尿素含量的PEDOT:PSS/urea薄膜,得到的薄膜中,电导率最大值为63.1S cm-1,同时Seebeck系数也存在一定幅度的提升,由14.47μV K-1提高到20.7μVK-1。SEM的结果表明,随着尿素含量的增加,PEDOT:PSS表面形貌变得光滑的同时PEDOT发生团聚,致使电导率和Seebeck系数的同时提高。3.选用不同质量分数的尿素和二甲基亚砜(DMSO)同时对PEDOT:PSS进行掺杂,对得到的PEDOT:PSS/(urea+DMSO)薄膜进行热电性能测试结果表明:在电导率大幅度增加的同时Seebeck系数也略有提高,室温电导率和Seebeck系数的最大值分别为419S cm-1和18.82μV K-1,功率因子最大为8.81μW m-1K-2,相应ZT值为2.48×10-2。4.通过向PEDOT:PSS水溶液中添加不同的酸、碱,调PEDOT:PSS水溶液的pH值,考察pH值对电导率机制和热电性能的影响。选用盐酸、草酸、乙二胺、氢氧化钠水溶液、氨水来调节PEDOT:PSS水溶液的pH值,并获得对应pH值下的薄膜。对PEDOT:PSS薄膜的电导率和Seebeck系数进行了表征,结果表明酸性物质调节PEDOT:PSS水分散体系的pH时,对PEDOT:PSS的热电性能有着增强作用,碱性物质的调节可使PEDOT:PSS的Seebeck提高四倍,而电导率则以1~3个数量级的程度降低。5.选取不同浓度的左旋樟脑磺酸掺杂(L-CSA)、混旋樟脑磺酸(DL-CSA)掺杂PEDOT:PSS,制备了一些列PEDOT:PSS/L-CSA、PEDOT:PSS/DL-LSA分散体系。采用两种干燥处理方式对浇铸的PEDOT:PSS混合体系干燥,得到一些列PEDOT:PSS薄膜。分别考察不同的热处理方式以及物质自身性质对PEDOT:PSS热电性能的影响。薄膜热电性能的表征结果表明:不同的热处理方式时,同一种物质对PEDOT:PSS电导率和Seebeck系数的影响差别甚小;两种樟脑磺酸在两种不同热处理方式的条件下,左旋樟脑磺酸增加PEDOT:PSS的热电性能与混旋樟脑磺酸比较,效果更明显。6.选用两种樟脑磺酸溶液对PEDOT:PSS薄膜进行处理,得到PEDOT:PSS/樟脑磺酸薄膜。得到的薄膜进行热电性能表征结果表明:室温下,两种酸溶液的处理均使PEDOT:PSS的电导率提高了三个数量级,其中L-CSA处理后电导率最大值为417.1Scm-1,DL-CSA处理后电导率高达644.7S cm-1。在此基础上计算得到的功率因子最高为21.1μWm-1K-2。PEDOT:PSS薄膜热电性能的研究以及PEDOT:PSS良好的稳定性表明:在未来有机热电领域中,PEDOT:PSS将成为有机热电材料中非常具有发展前景、最有潜力的有机物质之一。
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