PEDOT修饰的石墨烯@聚苯胺复合材料的制备及热电性能研究

摘要

导电聚苯胺因其具有多重导电态、独特的掺杂机制和较低的热导率，成为聚合物热电材料的研究热点。通过酸掺杂、与聚合物、碳材料复合等方法，都能使聚苯胺的导电性能得到提升，并且保持低的热导率，从而使聚苯胺的热电性能得到提升。本文通过向聚苯胺中加入聚3,4-乙烯二氧噻吩修饰的石墨烯微片（PEDOT-GN）作为导电填料，研究了PEDOT:GN的比例和PEDOT-GN加入量对聚苯胺复合材料热电性能的影响，并考察了掺杂酸的性质对聚苯胺复合材料的结构形貌及热电性能的影响。
　　石墨烯微片易团聚，在其表面修饰聚3,4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）可提高石墨烯微片在聚苯胺基体中的分散性。扫描电镜照片显示，PEDOT:PSS纳米线及PEDOT纳米点修饰在石墨烯微片上或桥接于石墨烯微片之间，构筑了大量多维导电网络。
　　加入PEDOT修饰的石墨烯微片后，由XRD图可知，复合材料的结晶性变好；由红外光谱、拉曼光谱可知，复合材料内部未生成新的化学键。由热失重曲线可知，加入PEDOT-GN后，复合材料的热稳定性增加，说明PEDOT-GN可减降低聚苯胺脱掺杂的程度。硫酸作为掺杂酸时聚苯胺包覆的聚3,4-乙烯二氧噻吩修饰的石墨烯微片（记为PEDOT-GN@PANS）复合材料在所测试范围内的热稳定性最好。掺杂酸为盐酸和磺基水杨酸时对PEDOT:PSS中PSS的脱去效果较好。
　　研究了掺杂酸为硫酸，导电剂PEDOT-GN的PEDOT:GN比例和加入量对聚苯胺复合材料热电性能的影响。研究表明，加入PEDOT-GN后，复合材料的电导率在测试范围内随PEDOT和PEDOT-GN含量的增加而增大，其中，当PEDOT与GN的比例为1:2时，加入量为20％的试样电导率最高，在180℃时可达1956S/cm，比聚苯胺提高了30倍；复合材料的Seebeck系数在测试范围内的温度稳定性均比聚苯胺好，且随着PEDOT和PEDOT-GN含量的增加而改善；虽然复合材料的热导率随着PEDOT:GN比例和PEDOT-GN加入量的增加而增大，但其热导率仍在0.4W/(m·K)以下。当PEDOT:GN=1：2、PEDOT-GN=20%时，复合材料的热电性能最好，其ZT值可达1.26×10-3（180℃），比未加PEDOT-GN的聚苯胺提高了12.6倍。
　　另外，研究了盐酸、磺基水杨酸、盐酸-磺基水杨酸混酸、硫酸-磺基水杨酸混酸对聚苯胺复合材料热电性能的影响。研究表明，盐酸-磺基水杨酸为掺杂酸时，聚苯胺复合材料热电性能的改善最显著，当测试温度为180℃时，其ZT值可达2.38×10-3，是PEDOT-GN@PANS复合材料的3.7倍。

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第1章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2聚苯胺热电性能的研究进展

1.2.1 聚苯胺的结构及导电机理

1.2.2 聚苯胺复合材料热电性能的影响因素

1.2.3 聚苯胺复合材料的制备方法

1.3聚3,4-乙烯二氧噻吩热电性能的研究进展

1.3.1 PEDOT的结构与性质

1.3.2 PEDOT:PSS基复合材料的热电性能研究进展

1.4主要研究内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1实验材料

2.2实验仪器

2.3样品制备

2.3.1 PEDOT修饰石墨烯与聚苯胺复合材料的制备工艺优化

2.3.2PEDOT-GN @PANS复合材料的制备

2.3.3 不同酸掺杂PEDOT修饰石墨烯微片@聚苯胺复合材料的制备

2.3.4 红外光谱分析(IR)

2.3.5 拉曼光谱分析(Raman)

2.3.6 X-射线衍射(XRD)

2.3.7 扫描电子显微镜(SEM)

2.3.8 透射电镜(TEM)

2.3.9 热重分析(TG)

2.3.10 材料密度测试

2.3.11热电性能测试分析仪（ZEM-3）

第3章 PEDOT-GN@PANS复合材料的表征和热电性能

3.1引言

3.2PEDOT-GN @PANS复合材料的表征

3.2.1 XRD分析

3.2.2 红外分析

3.2.3 拉曼分析

3.2.4 透射电镜分析

3.2.5 粉体扫描电镜分析

3.2.6 断口扫描电镜分析

3.2.7 热失重分析

3.3PEDOT-GN @PANS复合材料的热电性能

3.3.1 电导率

3.3.2 Seebeck系数

3.3.3 功率因子

3.3.4 热导率

3.3.5 ZT值

3.4 本章小结

第4章 掺杂酸性质对PEDOT-GN@PANI热电性能的影响

4.1 引言

4.1.1 粉体形貌

4.1.2 断口形貌

4.1.3 拉曼分析

4.1.4 红外分析

4.1.5 热失重分析

4.2 掺杂酸性质对PEDOT-GN@PANI的热电性能的影响

4.2.1 电导率

4.2.2 Seeebeck系数

4.2.3 功率因子

4.2.4 热导率

4.2.5 ZT值

4.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢