气相聚合制备PEDOT热电材料及性能研究

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随着能源短缺与环境污染问题日益突出,绿色能源的发展获得了广泛的关注。热电材料作为一种新型绿色能源材料,可以通过内部载流子的运动,将热能直接转化为电能,从而实现工业废热、自然热等热量的有效利用。当前,无机热电材料已实现商业化应用,然而由于资源稀少、成本高、加工困难等问题限制了无机热电材料的进一步发展。因此,研究者逐渐将目光转向资源丰富、柔韧性好以及具有良好可加工性的导电聚合物热电材料。其中导电聚合物聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)由于其良好的机械性能、本征的低热导率以及可调控的电导率成为有机热电领域的明星分子。因此进一步发展高效的PEDOT热电材料的制备方法是非常重要的。气相聚合(VPP)的技术优点是操作简单、对基底材料没有限制、可获得高电导率的本征导电聚合物。基于气相聚合实现聚合物的分子设计以及开创新的应用领域是该技术的重要发展方向。例如,引入添加剂从而增强本征导电聚合物的热电性能,或者基于VPP技术制备柔性可穿戴电子设备。本文通过VPP技术制备PEDOT薄膜材料以及PEDOT电子织物,并将其组装为柔性便携式电子器件。主要研究内容归纳如下:1.本章系统地探究了在氧化剂溶液中引入不同种类的添加剂对于PEDOT成膜质量的影响,并结合溶液后处理进一步优化PEDOT薄膜的热电性能。结果表明:1-丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸盐([BMIm][BF4])作为添加剂时,制备的PEDOT薄膜展现出高电导率;乙二醇(EG)作为添加剂时,PEDOT薄膜展现出较高Seebeck系数。其次,通过EG/[BMIm][BF4]的混合溶液对PEDOT薄膜进行后处理可以实现电导率与Seebeck系数的同时提高,相比原始气相聚合获得的PEDOT薄膜,其功率因子提高了122%。这一工作突出强调了将[BMIm][BF4]同时作为添加剂和后处理溶剂对于PEDOT薄膜的热电性能的影响。2.为了进一步提高PEDOT薄膜的Seebeck系数,本章采用低毒还原剂聚乙烯亚胺(PEI)溶液对PEDOT薄膜进行处理。采用分步处理的方式:首先用H2SO4处理,然后用PEI与高沸点溶剂(DMSO、DMF、NMP、EG)的混合溶液对PEDOT薄膜进行二次处理。结果表明:经过PEI/DMF溶液处理的PEDOT薄膜展现出较好的有序性,其Seebeck系数显著提高了5倍多(1159μV K-1),薄膜的电导率仍旧保持在100 S cm-1。该方法在调控有机热电材料的Seebeck系数方面显示出很大的应用潜力。3.随着可穿戴电子器件的快速发展,织物基应力传感器获得了广泛的关注。目前,对于可穿戴电子传感器存在的两个主要问题是:1.织物的耐水性较差;2.在施加应力条件下织物展现出较差的电性能。为了解决上述存在的问题,我们通过VPP技术将PEDOT直接沉积在商业织物上。PEDOT涂覆的织物表现出优异的机械性能和电性能。该电子织物制备的传感器可满足可穿戴式电子传感器件灵敏度的要求。更重要的是,该应力传感器在外部应力的循环加载之后表现出良好的稳定性。此外,将电子织物组装为热电发电机在温差为25 K时,输出电压为5.0 mV。
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