碲基纳米复合薄膜材料的制备及其热电性能研究

来源 :江西科技师范大学 | 被引量 : 7次 | 上传用户:lzm8020117
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随着经济快速发展,便携式电子设备备受青睐,其可持续便捷功能已经成为主要问题。热电材料是环保的能源转换材料,可以直接实现热能与电能相互转换,实现工业废热和节约能源的目的,已经广泛应用于制冷与发电方面。传统的热电材料虽然展现了较优异的热电性能,但是它们存在质量大、脆性强、制备工艺复杂等缺点,在便携式可穿戴热电器件的制备中受到很大限制。柔性薄膜热电材料具有轻便、柔性好等优点,在便携式可穿戴热电转换器件的制备中展现了较好的应用潜能。碲(Te)纳米材料因为具有较高的量子限域效应、特殊的能带结构和固有的内收敛性,可以提供额外的电子通道实现电导率和Seebeck系数的同时提高,在热电材料研究中具有很好的应用潜能,但是低电导率限制了其在热电领域的应用。虽然通过金属原子或者半导体原子掺杂可以很好实现热电性能的提高,但是依然受限于资源有限、柔性差、成膜性差、制备工艺复杂等缺点。随着柔性电极、柔性材料和薄膜技术的发展,柔性薄膜热电材料越来越受到人们关注。碳纳米管(CNTs)、有机热电材料的发现和新型纳米复合材料的发展为柔性薄膜热电材料的发展提供了新契机。通过在碲纳米材料引入高导电的CNTs或者有机热电材料,可以整合各组分的优势,从而实现热电性能的整体提高。这种协同效应为新型热电材料的开发和制备指明了一个新方向。因此,研究碲基纳米复合薄膜材料的热电性能具有非常重要的理论和现实意义。本文在制备了碲纳米复合薄膜材料的基础上,系统地研究了其热电性能及在可穿戴热电转化器件中的应用潜能。1.以苯胺作为封端剂和还原剂成功合成了碲化铋复合纳米片,避免了有毒还原剂和额外的表面活性剂的使用。结果表明:通过压片制备的碲化铋复合纳米片在室温下展现了较大的Seebeck系数(-135?V K-1)和较小的电阻率(6.5×10-3Ωm)和比同类纳米粒子低的热导率(0.27 W m-11 K-1)。2.通过液相化学法在碲纳米颗粒制备过程中引入单壁碳纳米管(SWCNTs),成功制备了Te-SWCNTs复合材料并系统地探索了SWCNTs对碲纳米颗粒热电性能的影响。结果表明,SWCNTs的引入不仅提高了碲纳米颗粒薄膜的柔性而且很大程度提高了复合薄膜的热电性能。在SWCNTs的含量仅为11.8 wt%时,柔性Te-SWCNTs复合薄膜得到了最优的功率因子(36.4?W m-11 K-2)和良好的柔韧性,在弯折1000个循环后,电导率仅仅降低了17%。对制备高性能的柔性碲基纳米复合材料具有良好的借鉴意义。3.通过溶剂热法成功制备了n型Bi2Te3纳米线薄膜和柔性p型Te-PEDOT:PSS复合薄膜,并组装成p-n型热电薄膜原型器件。结果表明,制备的Bi2Te3纳米线薄膜在室温下展现了较高的功率因子(78?W m-11 K-2)。PEODT:PSS引入到碲纳米线薄膜后,明显提高了碲纳米线的热电性能、柔韧性和成膜性,在PEDOT:PSS含量仅为10 wt%时,最大功率因子达到28.5?W m-1K-2,约为碲纳米线薄膜的7倍。组装的薄膜热电器件不仅节省了成本而且展现了稳定的输出电压(56 mV)和较高输出功率密度值32?W cm-2(仅比商业Bi2Te3块体组装的器件低约20%)。用Te-PEDOT:PSS复合薄膜组装薄膜器件提出了一种用无机-有机材料制造热电器件的新策略,并为制备柔性电子转换设备提供很好的借鉴意义。4.通过水热法成功制备了Te纳米线和柔性自支撑的Te@C-PP核-混合壳结构的热电纳米复合薄膜。结果表明,制备的Te@C-PP复合薄膜展现了良好的热电性能和柔韧性。优化的复合薄膜展现了较高的功率因子(95.5?W m-11 K-2)和超低的热导率(0.126 W m-11 K-1),其ZT值可以达到0.23,在碲基-PEDOT:PSS复合薄膜中占有较大的优势。在弯曲半径为4 mm时,弯曲1000次后复合薄膜的R/R0值仅仅增加了不到0.09。柔性核-混合壳结构的纳米线复合薄膜在p型和p-n型柔性器件中也表现出良好的热电响应。在器件两端温度差约为30 K时,制备的柔性Te@C-PP和Te@C-PP/CNT-P器件的最大输出功率密度分别为41和45?W cm-2。在低功率柔性可穿戴电子转换器件中展现了良好的应用潜能。
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