[發(fā)明專利]一種基于離子液體的水凝膠熱電材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110451274.2
• 申請(qǐng)日: 2021-04-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113178515B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-11-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫寬;劉悠然;朱丹青;周永利;何勇杰;張勇威;曾浩然;袁有嵐;朱文濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L35/24
• 分類號(hào): H01L35/24;H01L35/14;H01L35/34
• 代理公司: 重慶恩洲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 50263
• 代理人: 蘭渝宏

本發(fā)明屬于熱電材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于離子液體的水凝膠熱電材料及其制備方法。本發(fā)明提供了一種提高離子型熱電材料熱電性能的組合物，所述組合物包括離子液體、無(wú)機(jī)物和聚合物；所述聚合物作為凝膠型的骨架材料可以包覆所述無(wú)機(jī)物和離子液體，所述離子液體和所述無(wú)機(jī)物作為所述熱電材料的載流子。本發(fā)明開(kāi)創(chuàng)性地將無(wú)機(jī)鹽、離子液體和聚合物混合，制得了低成本、高性能、可工業(yè)量產(chǎn)的離子型熱電凝膠材料，該熱電材料的塞貝克系數(shù)高達(dá)131.2mV/K。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于熱電材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于離子液體的水凝膠熱電材料及其制備方法。

背景技術(shù)

熱電材料是一種利用載流子(電子、空穴、離子等)在溫差下定向移動(dòng)和分布不均，實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料，在溫差發(fā)電和便攜式制冷等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。

基于熱電效應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種有效且經(jīng)濟(jì)的利用低品位熱能的方式。溫差發(fā)電技術(shù)利用物體兩端的溫差促進(jìn)內(nèi)部載流子的定向運(yùn)動(dòng)，形成連續(xù)穩(wěn)定的輸出電壓和電流，實(shí)現(xiàn)從難以利用的低品位熱能到清潔高效電能的轉(zhuǎn)變。據(jù)調(diào)查，工業(yè)余熱、汽車(chē)廢熱、家庭廢熱等屬于能量密度低的低品位熱能，目前處于長(zhǎng)期得不到有效開(kāi)發(fā)利用的境地。此外，低品位熱能種類繁多、儲(chǔ)量巨大，占據(jù)所有廢熱能量的2/3，合理有效地開(kāi)發(fā)利用這部分熱能對(duì)人類可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，因此尋求一種高熱電優(yōu)值的熱電材料具有極大商業(yè)價(jià)值。

近200年來(lái)，熱電領(lǐng)域的研究對(duì)象主要從金屬、合金到無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料等方向探索，到21世紀(jì)，主要向低維化、納米化的有機(jī)高分子半導(dǎo)體熱電材料和離子熱電材料等方向發(fā)展。而一種良好的熱電材料必須具備較大的塞貝克系數(shù)，從而保證有較明顯的溫差電效應(yīng)。當(dāng)前塞貝克系數(shù)最高的離子熱電材料達(dá)到34.5mV/K。但是，離子熱電材料性能的潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。

當(dāng)前的一些離子型熱電材料中都采用聚合物—離子液體的凝膠形式，即聚合物作為凝膠骨架(固相)，直接采用離子液體作為凝膠的液相。例如PVDF-HFP/EMIM:DCA凝膠、WPU/EMIM:DCA凝膠、SiO₂/EMIM:DCA凝膠、PVDF-HFP/EMIM:TFSI凝膠等。這些凝膠材料雖然展現(xiàn)出很高的塞貝克系數(shù)，但是其電導(dǎo)率并不高，表明離子的電離程度和遷移能力都不高。

綜上所述，本發(fā)明提供一種新的離子型水凝膠熱電材料及其制備方法，有望解決上述問(wèn)題中的至少一種。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種離子型水凝膠熱電材料及其制備方法，具體技術(shù)方案如下。

一種提高離子型熱電材料熱電性能的組合物，所述組合物包括離子液體、無(wú)機(jī)物和聚合物；所述聚合物作為凝膠型的骨架材料可以包覆所述無(wú)機(jī)物和離子液體，所述離子液體和所述無(wú)機(jī)物作為所述熱電材料的載流子。

本發(fā)明研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中想到，由于現(xiàn)有的凝膠型熱電材料直接采用離子液體作為凝膠液相，導(dǎo)致其導(dǎo)電率不高且離子電離程度和遷移能力不高。而如果將離子液體溶解在極性溶劑(如水)中，離子可以被完全電離，另外離子的遷移速度也會(huì)加快。此外，當(dāng)前的其他一些離子型熱電材料采用聚合物來(lái)與無(wú)機(jī)離子之間相互制約，通過(guò)抑制陰離子的傳輸，促進(jìn)陽(yáng)離子的傳輸來(lái)增強(qiáng)塞貝克效應(yīng)。但是聚合物是不能移動(dòng)的，而且通常不能提供電荷。因此，本發(fā)明團(tuán)隊(duì)聯(lián)想到離子液體中也含有有機(jī)大離子，或許可以通過(guò)這樣的有機(jī)大離子來(lái)與無(wú)機(jī)鹽離子相互作用來(lái)增強(qiáng)塞貝克效應(yīng)，并且這樣的離子帶有電荷、也可以遷移，推測(cè)能進(jìn)一步增強(qiáng)熱電效應(yīng)。

因此。本發(fā)明創(chuàng)新引入離子液體與無(wú)機(jī)物相互作用來(lái)強(qiáng)化材料的熱電性能。無(wú)機(jī)物主要溶解在溶劑中，提供游離的陰陽(yáng)離子作為載流子，是產(chǎn)生塞貝克效應(yīng)的主要因素。此外，無(wú)機(jī)物的濃度影響聚合物骨架形態(tài)和與離子液體相互作用的強(qiáng)度。塞貝克系數(shù)的產(chǎn)生來(lái)源于無(wú)機(jī)物的陰陽(yáng)離子在溫差下的擴(kuò)散速度不同，導(dǎo)致電荷產(chǎn)生濃度差，進(jìn)而產(chǎn)生電壓。

進(jìn)一步，所述離子液體包括咪唑類離子液體、吡啶類離子液體、吡咯烷類離子液體和/或哌啶類離子液體中的一種或多種。