【摘 要】
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热电材料是一种能够利用废热温差实现热能与电能相互转化的新型功能材料,开发和研究新型热电材料实现可持续发展逐渐成为科研人员研究的重点。无机热电材料作为热电材料研究领域中最成熟的一个分支已经取得了优异的研究进展,近年来,有机热电材料因其超低的热导率、无毒环保、原材料价格低廉的特性而成为热电研究领域中新的研究热点。为了解决有机热电材料电导率较低的问题,本文设计并合成窄带隙的噻吩类共轭聚合物有机热电材料,
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热电材料是一种能够利用废热温差实现热能与电能相互转化的新型功能材料,开发和研究新型热电材料实现可持续发展逐渐成为科研人员研究的重点。无机热电材料作为热电材料研究领域中最成熟的一个分支已经取得了优异的研究进展,近年来,有机热电材料因其超低的热导率、无毒环保、原材料价格低廉的特性而成为热电研究领域中新的研究热点。为了解决有机热电材料电导率较低的问题,本文设计并合成窄带隙的噻吩类共轭聚合物有机热电材料,并通过酸化或者FeCl3掺杂的后处理手段,大幅提高其电导率,进而显著提高材料的热电性能。最后,进一步选取Seebeck系数高的共轭聚合物与单壁碳纳米管(SWCNT)复合,进一步探究大幅提高热电性能的途径和机理,具体研究内容如下:(1)通过Suzuki偶联反应合成噻吩类共轭聚合物PCPDT-C和PCPDT-T,并使用~1HNMR、XPS对产物结构进行结构确认。通过UV-Vis和伏安循环测试PCPDT-C和PCPDT-T的本征光学带隙。然后使用盐酸酸化和FeCl3掺杂的方法提高材料的热电性能,通过调控酸化浓度、薄膜退火时间和温度等条件调控材料热电性能。实验结果表明,经过盐酸酸化和FeCl3掺杂处理之后的共轭聚合物薄膜电导率有了明显的提升,PCPDT-C最高达到了1.56 S/cm(20℃)。在变温条件下,随着温度的升高,聚合物分子链运动加剧,会破坏聚合物分子之间的规整性,降低分子之间的π-π共轭堆积效应,从而降低载流子迁移率,使电导率下降,Seebeck系数升高。其中PCPDT-C经过盐酸酸化处理之后在95℃达到了最大的功率因数1.26μWm-1K-2,这表明盐酸酸化和FeCl3掺杂对于提高噻吩类有机热电材料的热电性能有显著的效果。(2)将掺杂处理后获得的Seebeck系数高的共轭聚合物PCPDT-C与高导电无机材料单壁碳纳米管(SWCNT)复合,复合之后材料的电导率有了进一步明显的提升,最高达到了1172 S/cm。在变温和常温条件下,随着SWCNT质量分数的增加,复合材料的电导率先增加后下降,当SWCNT质量分数为40%时,PCPDT-C(FeCl3)/SWCNT复合材料在95℃取得最大功率因数32.8μWm-1K-2,这表明制备的材料的热电性能具备了商业应用的潜力。
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