[發(fā)明專利]空氣穩(wěn)定和高性能n型多壁碳納米管熱電材料的制備方法

有效

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• 申請日: 2020-03-03
• 公開（公告）號: CN111223982B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王洪;胡秋俊;王一卓
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01L35/22
• 分類號: H01L35/22;H01L35/34;C01B32/158
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李曉曉

一種空氣穩(wěn)定和高性能n型多壁碳納米管熱電材料的制備方法，將n型摻雜劑加入到有機溶劑中，超聲分散，得到n型摻雜劑的溶液；將多壁碳納米管薄膜浸泡在n型摻雜劑的溶液1.5h?3h；然后將浸泡后得到的多壁碳納米管薄膜取出，沖洗，干燥，得到n型多壁碳納米管熱電材料。本發(fā)明通過對其摻雜后的碳納米管薄膜進行性能和穩(wěn)定性的一系列相關(guān)表征表明經(jīng)過N?DMBI摻雜后的多壁碳納米管薄膜成功的由p型轉(zhuǎn)化成n型，其電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)都有提升。本發(fā)明不僅操作過程方便、處理后的n型多壁碳納米管薄膜具有較高的功率因子以及在空氣中顯示出長時間性能的穩(wěn)定性，而且極大的提升了n型多壁碳納米管薄膜作為熱電材料的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種空氣穩(wěn)定和高性能n型多壁碳納米管熱電材料的制備方法。

背景技術(shù)

熱電材料可以直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，利用余熱回收能源，提高能源利用效率。這種環(huán)保的清潔能源材料因其豐富的余熱資源而受到越來越多的關(guān)注，具有很大的回收利用潛力。與傳統(tǒng)的脆性和剛性熱電材料相比，柔性熱電材料可以與任意幾何形狀的熱源緊密接觸，從而通過降低熱能損耗顯著提高轉(zhuǎn)換效率。此外，柔性的獨立熱電材料可以獲得最佳的器件形狀，從而通過最小化熱損失進一步提高能量轉(zhuǎn)換效率。因此，作為下一代熱電材料的柔性熱電材料，尤其是獨立自支撐薄膜，在實際應(yīng)用中受到了高度的重視。

與單壁碳納米管薄膜和雙壁碳納米管薄膜相比，多壁碳納米管薄膜可以大規(guī)模生產(chǎn)，純度高，成本低。由于其獨特的電子性能和柔韌性，它們是一種很有前途的柔性材料。由于原始碳納米管對氧非常敏感，通常在空氣中由于氧的摻雜而表現(xiàn)出p型性質(zhì)。n型碳納米管薄膜通常是通過還原劑、富含電子的有機分子或在碳納米管薄膜中封裝金屬原子/有機供體分子來處理p型碳納米管薄膜而獲得的。這些方法更常用于制造n型單壁碳納米管薄膜和雙壁碳納米管薄膜。單壁碳納米管薄膜在利用聚乙烯亞胺(PEI)摻雜后其塞貝克系數(shù)可以達到-80μV/K【Zhou,et al.,Nat.Commun.,8,14886(2017)】。然而,n型多壁碳納米管薄膜的報道較少,通常表現(xiàn)出較低的“金屬”式的塞貝克系數(shù)-10μV/K左右【Baxendale,et al.,Physical Review B,61,12705(2000)】。多壁碳納米管薄膜的Seebeck系數(shù)低的一個原因是多壁碳納米管薄膜的n型摻雜水平低，這是由于它們的同軸結(jié)構(gòu)抑制了摻雜劑接近內(nèi)碳管。p型未摻雜的多壁碳納米管內(nèi)壁與n型摻雜的多壁碳納米管外壁的競爭作用導(dǎo)致了多壁碳納米管的n型Seebeck系數(shù)較低。第二個原因可能是由于多壁碳納米管的大直徑降低了表面積。多壁碳納米管的可摻雜表面積比單壁/雙壁碳納米管的可摻雜表面積要小得多。因此，多壁碳納米管表面吸收的摻雜物質(zhì)較少，導(dǎo)致了相關(guān)的低摻雜水平。理論和實驗證明，在碳納米管由p型向n型轉(zhuǎn)變的過程中，增加n型摻雜劑的摻雜量會使塞貝克系數(shù)增大。多壁碳納米管薄膜的Seebeck系數(shù)低的第三個原因是多壁碳納米管薄膜通常被認為比單壁/雙壁碳納米管更“金屬化”。因此，同軸結(jié)構(gòu)、相關(guān)的低表面積、較多的“金屬”行為以及較大的直徑導(dǎo)致了n型多壁碳納米管薄膜的低塞貝克系數(shù)。

在保證由p型碳納米管薄膜轉(zhuǎn)型成n型的薄膜基礎(chǔ)上，既要使得電導(dǎo)率維持在較高的水平和高的塞貝克系數(shù)，并且，在空氣中能穩(wěn)定的n型碳納米管薄膜是一項重大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種空氣穩(wěn)定和高性能n型多壁碳納米管熱電材料的制備方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種空氣穩(wěn)定和高性能n型多壁碳納米管熱電材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將n型摻雜劑加入到有機溶劑中，超聲分散，得到n型摻雜劑的溶液；

(2)將多壁碳納米管薄膜浸泡在n型摻雜劑的溶液1.5h-3h；然后將浸泡后得到的多壁碳納米管薄膜取出，沖洗，干燥，得到n型多壁碳納米管熱電材料。

本發(fā)明進一步的改進在于，步驟(1)中，n型摻雜劑加入到有機溶劑的質(zhì)量比為(2-8):100。