[發明專利]一種高性能聚吡咯基三元復合熱電材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201911292813.1
• 申請日: 2019-12-16
• 公開（公告）號: CN110951253A
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 王乙涵;殷勤儉;吳思琦
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: C08L79/04
• 分類號: C08L79/04;C08L79/02;C08K3/04;C08G73/06;C08G73/02
• 代理公司: 成都方圓聿聯專利代理事務所(普通合伙) 51241
• 代理人: 胡文莉

本發明公開了一種高性能聚吡咯基三元復合熱電材料及其制備方法，該三元復合材料以聚吡咯為基體，使吡咯單體先與石墨烯納米片摻雜、再沿著石墨烯表面吸附、聚合，促使形成聚吡咯以石墨烯表面為模板的吸附生長。然后將其與聚苯胺復合得到聚吡咯/石墨烯/聚苯胺三元復合熱電材料。本發明采用的方法與材料能提高復合材料的分散性以及相容性，使得三元復合材料之間形成了特殊的導電通路，提高了復合材料的熱電性能，并克服了聚吡咯的本征電導率低以及石墨烯的高熱導率等缺點，通過將聚吡咯、石墨烯、聚苯胺三者復合，提供一種操作簡單、綠色環保、組分分散均勻性好的聚吡咯基高熱電性能復合材料制備新方法。

技術領域

本發明屬于新型能源材料制備技術領域，涉及一種復合電熱材料，具體涉及一種高性能聚吡咯基三元復合熱電材料的制備方法以及采用該方法制得的一種高性能聚吡咯基三元復合熱電材料。

背景技術

能源是人類活動的物質基礎，人類社會的發展離不開優質能源的出現和先進能源技術的使用。隨著生產和科技的發展，環境污染和能源危機現象也越來越嚴重。熱電材料是一種環境友好的功能材料，它可以利用固體內部載流子(空穴或電子)的運動，實現熱能和電能的相互轉換。使用熱電材料制備的熱電器件具有結構簡單、無運動部件、無噪音及無污染等優點。因此，熱電材料具有相當廣闊的應用前景。目前使用的熱電材料主要是無機熱電材料，如，Bi-Te基合金、Pb-Te基合金等，但是它們的制備工藝相對較復雜，并且存在著重金屬污染等缺點，在一定程度上限制了無機熱電材料的大規模應用。

熱電材料性能指標一般用無量綱優值ZT＝S²σT/κ表示，其中，S(μV/K)為澤貝克系數，σ(S/m)為電導率，T(K)為高溫端與低溫端的絕對溫度，P(S²σ)表示功率因子(Powerfactor)。由ZT的表達式可以看出，要提高材料的熱電轉換效率，應選用同時具有較大電導率和盡可能低的熱導率的熱電材料。但事實上，在一定溫度下，決定ZT值的3個因子都是載流子濃度的函數，是相互關聯的，不可能同時使它們得到優化，這是目前妨礙熱電材料性能進一步提高的主要原因。因導電聚合物具有較好的電導率及力學性能、較低的導熱系數等特點，通過復合優化，不久的將來，導電聚合物就有可能取代傳統的半導體、金屬及超導等材料，成為最優秀的熱電材料，并應用于微機電系統或微電子器件供電電源及其他領域。

近年來，隨著導電聚合物研究的不斷深入，像聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚苯撐、聚苯撐乙烯、聚雙炔、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)等各種廉價、比重輕、性能穩定、導電特性優異的導電聚合物材料不斷出現。與無機熱電材料相比，導電聚合物的種類豐富、易于制造、成本低且比重輕。人們預測，通過對聚合物分子結構的合理設計，可有效控制其電、光、力學特性等，目前，世界各國有許多的化學與電子公司競相把導電聚合物列入近期的電子材料科研項目中。

為開發能替代傳統熱電材料Bi₂Te₃的新型熱電材料，世界各國研究者開展了一系列利用各類導電聚合物制備新型有機復合熱電材料的研究工作。如2011年，Wang等人開展了利用聚苯胺(PANi)和石墨粉制備有機復合熱電材料的研究工作。2013年，他們又開展了將聚噻吩(PTh)和多壁碳納米管(MWNTs)混合制備有機復合熱電材料的研究工作。研究表明，通過在摻雜PANi中混合50％重量百分比的石墨粉，制備的聚合物復合熱電材料的電導率可增加2個數量級，而熱導率變化不大。在溫度393K條件下，該種聚合物復合熱電材料的熱電優值可達1.37×10^-3，比單純的摻雜PANi的熱電優值有了較大改善。而通過在PTh中混合30-80％重量百分比的MWNTs，該種PTh/MWNTs復合熱電材料的熱電優值可達8.71×10^-4。但因材料的熱電優值相對較小，離應用要求還有不小差距。

2011年，C.A.Hewitt等人制備了石墨烯/聚偏氟乙烯(GNs/PVDF)有機復合熱電材料，發現碳基熱電材料的特性與材料的內稟特性及外界環境有關，在外界條件一定的情況下，要想增加復合熱電材料的熱電優值，就必須增加復合材料的電導率，同時保持其熱導率不變，這只能通過添加導電聚合物來達到。