聚苯胺基热电复合材料的合成与设计

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当今世界能源和环境问题对人类的可持续发展和健康生活造成了严重威胁。面对化石能源的濒临枯竭和日益严重污染的环境问题,寻找新能源,高效率应用能源的方法以及环境友好型的材料显得尤为重要和迫切。基于此能源问题和环境问题在学术界和工程界引起研究热潮。其中热电材料是一种利用固体内部载流子运动,实现热能和电能直接相互转换的功能材料,在废热发电和温差制冷等领域有重要的应用前景。到目前为止,研究最多的是无机热电材料,但是无机热电材料原材料昂贵、加工过程复杂,而且很多原材料在使用过程中会对环境产生污染或者本身就有毒对人体身体有害。然而在近几十年以来,高分子热电材料成本低、原材料丰富、热导率低等特点在学术界引起广泛的关注,其中聚苯胺被认为是最有前景的高分子热电材料之一。但是目前聚苯胺热电材料的性能距离实际应用还有很大差距。因此以聚苯胺为基体,通过复合低维纳米材料来提高电导率和塞贝克系数等热电性能已成为当前研究重点方向。本论文通过以下三种方式来提高聚苯胺基体的热电性能:(1)采用乳液聚合的方式以十二烷基苯磺酸为掺杂酸一步原位法合成了PANI/AgNPs纳米复合材料。采用XRD、FI-IR、UV紫外分光光度法、SEM和TEM等手段对制备的PANI/AgNPs复合材料进行了表征,并测试了复合块体材料的电导率、塞贝克系数和热导率等热电性能。结果表明原位合成了Ag纳米颗粒均匀分布的PANI/AgNPs复合材料,并且随着Ag含量的增加,复合材料的热电性能有明显的提高。(2)在原位合成PANI/AgNPs纳米复合材料的基础上,通过冷冻研磨法引入多壁碳管,实现了AgNPs和CNTs在聚苯胺基体中的均匀分散,成功制备了PANI/AgNPs/CNTs纳米复合材料。研究结果表明,同时引入AgNPs和CNTs,大幅提高了聚苯胺的热电性能。(3)首先通过合成了氧化石墨烯(GO),然后采用硼氢化钠还原GO并退火处理得到性能优良的RGO,最后将制备的RGO与PANI用超低温冷冻研磨的方式制备了RGO/PANI纳米复合材料。通过对其热电性能的考察,研究发现电导率和塞贝克系数由于RGO的引入都有很大程度的提高,并且热导率基本不变。
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