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有机热电材料AFM:氧化石墨烯——只要位置摆得好,不愁性能高不了

有机热电材料AFM:氧化石墨烯——只要位置摆得好,不愁性能高不了

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行业资讯
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热电转换器的核心之一是热电材料。工作时,热电材料中的载流子(如电子、空穴、离子等)从高温侧吸收热量后定向运动到低温侧释放热能。载流子的这种定向移动便会在热电材料两端产生电压,因而输出电能。热电材料的性能用塞贝克(Seebeck)系数衡量,即单位温差下产生电压的大小。以电子或空穴为载流子的传统热电材料塞贝克系数一般都低于1 mV/K,而以离子为载流子的新型热电材料的塞贝克系数可提升至1-10 mV/K范围。  

近日,美国得州农工(Texas T&M)大学Choongho Yu教授课题组将离子有机热电材料的塞贝克系数提高到了~12 mV/K。他们的策略是将氧化石墨烯(GO)纳米片垂直地分布于聚苯乙烯磺酸(PSS)基底中。每一片GO的亲水表面可为质子载流子提供高速通道,从而提升PSS的热电转换性能。相关成果已发表于Advanced Functional Materials上。

【文章要点】  

一、通过逐层沉积法使混合于PSS中的GO纳米片平铺于PSS基底(图1)中。逐层沉积确保了GO纳米片沿xy平面铺展,在xz和yz平面中则为垂直阵列式分布。这种独特的分布方式有利于热电转换过程中载流子的快速输运,是本工作最大的亮点。

1. 逐层沉积合成法示意图及制备的PSS-GO热电材料的表面及截面形貌。图源:Adv. Funct. Mater.

二、将PSS-GO材料的xy面垂直放置于高温端及低温端间,使热量能够沿着GO纳米片表面流动。实测PSS-GO的塞贝克系数与GO、水含量有关(图2)。最佳组分:含3 wt.% GO、40 wt.%水的PSS。其塞贝克系数达到~12 mV/K,转换功率为1.8 mW·m-1·K-1,品质因数(zT)0.85(23 °C)。

2. a)不同GO、水含量的PSS-GO热电材料的塞贝克系数。(b)竖直排列的GO纳米片阵列加速质子传导示意图。图源:Adv. Funct. Mater.

三、PSS-GO材料塞贝克系数随GO与水含量的增高而增大。利用原位红外光谱和pH计测试表明,垂直排列的GO表面因为亲水性会附着一层水膜。这层水膜为PSS中的质子载流子提供了高速通道(图2b),因而提升了材料整体的热电转换性能。

 

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202011016

文章来源:高分子科学前沿

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