[發明專利]一種基于離子傳導的高性能熱電水凝膠的制備方法及應用

有效

• 申請號: 202111280358.0
• 申請日: 2021-11-01
• 公開（公告）號: CN113881068B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 馬儒軍;張鼎;茆寅
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: C08J3/075
• 分類號: C08J3/075;C08L33/26;C08L5/04;C08F220/56;C08F222/38;H01L35/24;H01L35/34
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 張耀

本發明提供了一種基于離子傳導的高性能熱電水凝膠的制備方法及應用。制備方法為：(1)將丙烯酰胺AAm和海藻酸鈉SA按照一定比例溶于去離子水；(2)在上述溶液中加入N,N?二甲基雙丙烯酰胺BIS和過硫酸銨APS，攪拌均勻；(3)將步驟(2)溶液倒入模具中，加熱固化，得到聚丙烯酰胺PAAm水凝膠。(4)將PAAm水凝膠放入鐵氰化鉀K₃Fe(CN)₆、亞鐵氰化鉀K₄Fe(CN)₆、鹽酸胍GH的混合水溶液中，浸泡后取出，即得到離子傳導的高性能熱電水凝膠。本發明制備的熱電水凝膠具有優異的熱電性能，制備工藝簡單、安全無害、可大批量生產，在柔性熱電可穿戴、制冷降溫等領域具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于高分子熱電水凝膠及其制備和應用領域，特別涉及高性能熱電水凝膠的制備方法及應用。

背景技術

據統計，工業生產中超過一半的能量以熱能的形式被浪費是空氣中，若能夠合理的收集這些廢熱，將會產生巨大的經濟效益。基于塞貝克效應，傳統的電子/空穴型熱電材料由于能夠將熱能直接轉換為電能而備受關注，然而這些熱電材料的塞貝克系數低，熱電轉換效率低，無法滿足實際的應用。近些年，離子型熱電材料具有較高的熱電勢，熱電系數是傳統電子/空穴型熱電材料的幾百倍甚至上千倍，能夠借助離子傳導實現高效熱電轉換。其中主要分為兩類，一類是利用溫差下離子定向遷移的濃度差引起熵變實現熱電轉換，即熱擴散效應(Thermodiffusion effect)。然而，當溫差穩定以后，離子遷移逐漸與外電路電子遷移達到平衡，將不再產生電流，因此，熱擴散效應無法實現持續的供電。另一類是利用氧化/還原反應過程中的熵變實現熱電轉換，即氧化/還原電對的溫度效應，即熱電化學效應(Thermogalvanic effect)。然而目前已報道的大都是液態形式的熱電化學電池，存在體積大、柔性差、不可便攜的缺點。

高分子水凝膠由于具有極好的柔性、可拉伸性、可調節的導電性、良好的自愈性以及生物相容性，在軟體機器人、可穿戴電子、健康監測等領域展現出巨大的應用前景。通過在高分子水凝膠中引入氧化還原電對，有望設計一種新型的柔性可拉伸高性能熱電材料。目前已報道的這類研究中，通過引入氧化還原電對Fe(CN)₆^3-/K₄Fe(CN)₆^4-或者Fe²⁺/Fe³⁺，獲得的塞貝克系數大都在1.0～2.0mV/K范圍內，電導率較差，難以直接驅動日常的小型電子器件。此外，其機械性能包括拉伸性、循環穩定性都相對較差，歸一化的輸出功率密度較低(大都不超過1.0mW/m²K²)。因此，需要開發一種具有高塞貝克系數、高電導率、高拉伸性、高穩定性、高輸出功率密度的熱電水凝膠，有望利用溫差發電直接驅動LED、電子溫度計等小功率的電子器件。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種高性能熱電水凝膠的制備方法，同時提供了該高分子熱電水凝膠制備方法及應用，通過結構設計與調控，提高熱電水凝膠的熱電性能、拉伸性、穩定性以及輸出功率密度。

本發明提供一種高性能熱電水凝膠的制備方法，所述高分子熱電水凝膠主要由熱引發引起丙烯酰胺(Acrylamide,簡稱AAm)單體的聚合，并與海藻酸鈉(sodium alginate,簡稱SA)分子交聯互穿后形成雙網絡高分子水凝膠，然后在鐵氰化鉀(K₃Fe(CN)₆，簡稱K3FCN)、亞鐵氰化鉀(K₄Fe(CN)₆，簡稱K4FCN)和鹽酸胍(Guanidine Hydrochloride，簡稱GH)三者混合液中浸泡后獲得。

本發明的一種高性能熱電水凝膠及器件，其制備方法包括：

(1)將丙烯酰胺(AAm)和海藻酸鈉(SA)按照一定的比例加入到去離子水中，加熱攪拌至完全溶解，然后冷卻至室溫；