聚3,4-二氧乙撑噻吩:聚苯乙烯磺酸及其复合材料的热电性能研究

摘要

热电材料是一种应用于发电和制冷领域的环境友好型绿色能源转换材料,利用热电技术可以直接实现热能和电能之间的相互转换,实现废热的充分利用和能源的节约而不污染环境。与传统的无机热电材料相比,导电高分子由于具有资源丰富、可加工性强、较低的热导率和良好的环境稳定性等优点,作为一种新型的热电材料受到科研人员越来越多的关注。聚(3,4-二氧乙撑噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)是应用最为广泛的一种导电高分子材料,具有较高的电导率、较低的热导率和良好的环境稳定性以及独特的“金属及非金属”性能,是一种非常具有潜在价值的有机热电材料。因此,研究PEDOT:PSS的热电性能具有十分重要的理论和现实意义。本文采用二次掺杂以及同无机微纳米材料复合的方法制备了PEDOT:PSS薄膜及其复合材料,并对它们的热电性能进行了测试和分析。具体研究内容和结论如下:　　 1.利用具有高接触角(87°)表面光滑的聚丙烯(PP)薄膜作为基底制备了经有机溶剂二甲基亚砜(DMSO)或乙二醇(EG)二次掺杂后的高电导率的PEDOT:PSS自支撑薄膜,其最大值可以达到300 S·cm-1。PEDOT:PSS在PP基底上接触角的大小是影响形成自支撑薄膜的重要因素。经DMSO或EG二次掺杂后的PEDOT:PSS自支撑薄膜的电导率有很大的提高,但是其Seebeck系数并没有明显的改变。DMSO或EG的掺杂过程导致了PEDOT:PSS自支撑薄膜载流子迁移率的提高,并没有明显的改变载流子浓度。经DMSO或EG掺杂的PEDOT:PSS自支撑薄膜的最大热电优值(ZT)可以达到1.07×10-2；　　 2.以表面光滑的聚丙烯(PP)薄膜作为基底,采用物理混合的方法制备了PEDOT:PSS与多壁碳纳米管(MWNTs)的纳米复合材料。透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)表征结果显示PEDOT:PSS与MWNTs复合在了一起。热电性能测试表明,随着MWNTs的加入,复合材料的电导率有所降低,但其Seebeck系数变化不明显。PEDOT:PSS/MWNT纳米复合材料的最大功率因子σS2为4.3×10-6 W·m-1·K-2；　　 3.以表面光滑的聚丙烯(PP)薄膜作为基底,采用物理混合的方法制备了PEDOT:PSS与钴酸钙(Ca3Co4O9)粉末的复合物薄膜。热电性能测试结果表明,随着Ca3Co4O9含量的增加,复合物材料的电导率减小,而Seebeck系数升高,最大提高值可以到24.8％。PEDOT:PSS/Ca3Co4O9复合材料的最大功率因子σS2为3.8×10-6 W·m-1·K-2,然而这依然低于Ca3Co4O9陶瓷的热电性能。PEDOT:PSS/Ca3Co4O9复合材料热电性能的降低主要是由于电导率的降低和Seebeck系数提高的幅度有限导致的；　　 4.通过向PEDOT:PSS水溶液中添加离子液(1L),制备了PEDOT:PSS/IL薄膜。随着薄膜中离子液含量的增加,电导率和Seebeck系数同时得到了显著的提高,其最大值分别达到了175 S·cm-1和31μV·K-1。通过原子粒扫描电镜分析,电导率和Seebeck系数的提高主要是由于离子液的加入使得PEDOT:PSS在成腆过程中形成了一种三维结构,提高了费米能级附近的电子态密度,从而导致了PEDOT:PSS/IL薄膜热电性能的提高。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 热电材料简介

1.2.1 热电材料的研究进展

1.2.2 热电材料的热电效应

1.2.3 热电材料的性能参数

1.2.4 热电材科的应用

1.2.5 热电材料存在的问题

1.2.6 提高热电性能的主要途径

1.3 导电高分子概述

1.3.1 导电高分子研究现状

1.3.2 导电高分子掺杂及其导电原理

1.3.3 导电高分子的热电性能

1.3.4 聚(3,4-二氧乙撑噻吩):聚(苯乙烯磺酸)

1.4 导电高分子复合材料概况

1.4.1 导电高分子复合材科的研究现状

1.3.3 导电高分子/无机纳米粒子的复合

1.5 论文工作的提出及主要研究内容

第二章 实验与仪器

2.1 主要试剂

2.2 基本仪器

2.3 热电性能的测试

第三章 DMSO、EG掺杂的PEDOT:PSS自支撑薄膜的热电性能研究

3.1 前言

3.2 DMSO、EG掺杂的PEDOT:PSS自支撑薄膜的制备及形貌表征

3.2.1 DMSO、EG掺杂的PEDOT:PSS自支撑薄膜的制备

3.2.2 形貌分析

3.3 DMSO、EG掺杂的PEDOT:PSS自支撑薄膜的热电性能测试及分析

3.3.1 电导率

3.3.2 Seebeck系数

3.3.3 热导率

3.3.4 热电优值

3.4 小结

第四章 PEDOT:PSS/MWNT复合材料的制备及热电性能研究

4.1 前言

4.2 PEDOT:PSS/MWNT复合材料的制备及形貌表征

4.2.1 PEDOT:PSS/MWNT复合材料的制符

4.2.2 形貌分析

4.3 PEDOT:PSS/MWNT薄膜热电性能测试及分析

4.3.1 电导率

4.3.2 Seebeck系数

4.3.3 功率因子

4.4 小结

第五章 PEDOT:PSS/Ca3Co4O9复合材料的制备及热电性能研究

5.1 前言

5.2 PEDOT:PSS/Ca3Co4O9复合材料的制备及形貌表征

5.2.1 PEDOT:PSS/Ca3Co4O9复合材料的制备

5.2.2 结构及形貌分忻

5.3 PEDOT:PSS/Ca3Co4O9薄膜热电性能测试及分析

5.3.1 电导率

5.3.2 Seeheck系数

5.3.3 功率因子

5.4 小结

第六章 离子液掺杂的PEDOT:PSS薄膜的热电性能研究

6.1 前言

6.2 离子液掺杂的PEDOT:PSS薄膜的制备

6.3 PEDOT:PSS/IL薄膜的热电性能测试及分析

6.3.1 电导率

6.3.2 Seebeck系数

6.3.3 形貌分析

6.3.4 功率因子

6.4 小结

第七章 结论

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢