[發明專利]一種聚吡咯包覆碳納米管的復合熱電材料的制備方法

在審

• 申請號: 201410048135.5
• 申請日: 2014-02-12
• 公開（公告）號: CN103840074A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 陳光明;高彩艷
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: H01L35/24
• 分類號: H01L35/24;H01L35/34
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及制備聚吡咯包覆碳納米管的復合熱電材料的方法，特別涉及在以過硫酸銨作為氧化劑的情況下,?吡咯通過原位氧化聚合對碳納米管包覆形成復合熱電材料的方法。

背景技術

隨著全球工業化進程的加快，解決環境污染以及世界能源短缺和枯竭已經成為世界性的難題，因此，開發和使用新型綠色能源已經變得非常迫切。而在生產和生活中有許多無法避免其生成、卻又被廢棄的熱能，例如：地熱、摩擦生熱、汽車尾氣、工廠鍋爐排放的氣體等等，如果能將這些廢熱進行有效的回收利用將成為緩解能源危機的一種有效手段。而熱電材料正是一種能夠實現熱能和電能直接相互轉換的功能材料。

熱電材料的應用不需要使用傳動部件，工作時無噪音、無排棄物，和太陽能、風能、水能等二次能源的應用一樣，對環境沒有污染，并且這種材料性能可靠，使用壽命長，不僅在軍事、航天等高科技領域已有應用，而且在廢熱發電、醫學恒溫、微型傳感等民用領域也有著廣泛的應用。因此，熱電材料是一種具有廣闊應用前景的環保材料，在環境污染和能源危機日益嚴重的今天，進行新型熱電材料的研究具有很強的現實意義。

用以衡量熱電材料性能的指標用ZT值表示，ZT值越大，其熱電轉化效率越高。由于合金可以很大程度上降低晶格的熱導率而不降低電導率，因而基于Bi-Te-Sb-Pb的合金材料至今仍以其在室溫及低溫條件下較高的轉化效率而在熱電材料中占據主導地位。知道目前為止，具有高熱電性能的無機合金，如Bi₂Te₃，PbTe，Sb₂Te₃等仍然是最廣泛被研究和使用的熱電材料，它們在室溫下的ZT值都接近于1【R.?Yang,?et?al.,?Mater.?Integr.,18,?31?(2005)】。但由于合金材料具有加工困難、密度大、價格昂貴、高溫不穩定、易腐蝕及污染嚴重的缺點而使其應用受到很大的局限性。

與無機材料相比較，導電高分子材料由于其易合成、質輕、環境穩定性好、熱導率低、電導率可調、成膜性好等優點，一定程度上彌補了無機材料的不足，被認為是一類非常有潛在價值的熱電材料。然而，盡管Pipe等人【G.-H.?Kim,?et?al.,?Nature?Mater.,?12,?719?(2013)】通過DMSO對PEDOT/PSS進行摻雜，制備了迄今為止熱電效率最高的有機熱電材料，其ZT值達到0.42，但總體來說，導電高分子固有的低電導率和低Seebeck系數致使它們的熱電性能離實際應用還有很大的差距。

由此，一類新的熱電材料——無機/有機復合材料應運而生。它是通過將具有低熱導率的有機導電高分子和具有高電導率的無機粒子相結合而產生的一類雜化材料。這種雜化材料可將有機高分子和無機粒子各自組分的優勢進行有機結合，充分發揮各組分之間的協同效應，是一類性能優于其各單組分的新型熱電材料。因此，近年來科學家對于無機/有機聚合物復合熱電材料的研究表現出非常濃厚的興趣，導電高分子如聚苯胺、聚噻吩、聚（乙撐二氧噻吩）以及聚（3-烷基噻吩）與無機粒子的各種復合材料的制備及其熱電性能目前已有很多報道【M.?He,?et?al.,?Energy?Environ.?Sci.,?6,?1352?(2013);?Y.?Du,?et?al.,?Progress?Polymer?Sci.,?37,?820?(2012)】。

然而，作為性質非常穩定的導電聚合物之一的聚吡咯，盡管其純聚合物的熱電性能早在上世紀九十年代就得到關注【R.?Roy,?et?al.,?J.?Phys.:?Condens.?Matter,?3,?7849?(1991)】，但對于其與無機粒子復合體系的熱電性能至今尚未見報道。而碳納米管，尤其是單壁碳納米管，盡管在室溫下具有較高的熱導率，但其優良的機械強度和高電導率已經使得碳納米管成為近年來有機聚合物中非常有前景的一類導電性添加劑【J.?T.?Hu,?et?al.,?Acc.?Chem.?Res.,?32,?435?(1999);?M.?S.?Fuhrer,?et?al.,?Nano?Lett.,?2,?755?(2002);?R.?H.?Baughman,?et?al.,?Science,?297,?787?(2002)】。因此，導電高分子聚吡咯/碳納米管的復合體系是一類非常有應用前景的熱電材料，該材料的制備及其熱電性能的研究具有非常重要的意義。