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上海硅酸鹽所在柔性有機/無機熱電復合材料研究中取得重要進展
發布時間: 2020-05-26 09:09 | 【 【打印】【關閉】

  柔性熱電能量轉換技術可將環境或人體溫差轉化成電能實現電子設備的自供電,在可穿戴等領域具有廣闊的應用前景。傳統無機熱電材料具有優異的熱電性能,但不具備柔性功能;而有機熱電材料雖具有良好的柔性和彎曲性能,但熱電性能極低。有機/無機復合熱電材料可綜合無機材料的熱電高性能和有機材料的良好彎曲性能,成為近年來的研究熱點。具有一維結構的碳納米管或金屬納米線可以與有機材料的一維分子鏈形成緊密連接的導電網絡,并沿鏈網絡提供高導電通道,因此常被用于有機/無機復合熱電材料的研究。但碳納米管或金屬納米線極低的澤貝克系數導致復合材料的澤貝克系數難以提高。而無機熱電材料雖然具有高澤貝克系數,但是其形狀通常為片狀或顆粒狀,導致復合材料低的電輸運性能。因此,如何選擇匹配的有機/無機材料從而獲得良好的電輸運成為有機/無機復合熱電材料研究的關鍵科學問題。 

  最近,中國科學院上海硅酸鹽研究所史迅研究員、陳立東研究員、仇鵬飛副研究員和瞿三寅副研究員等與美國克萊姆森大學賀健教授合作,提出了一種維度匹配的熱電復合材料設計新策略,即使用同樣具有一維結構的無機半導體材料制備高性能PVDF/Ta4SiTe4有機/無機柔性熱電復合薄膜, 其原型器件在35.5K溫差下歸一化最大功率密度為目前已報道的柔性熱電器件中的最高值。相關研究成果以“Conformal organic–inorganic semiconductor composites for flexible thermoelectrics” 為題 ,發表于Energy & Environmental Science上。 

  有機材料聚偏氟乙烯(PVDF)具有一維鏈狀結構,是一種具有優良柔性的絕緣體?;诰S度匹配的設計思路,該團隊選擇了同樣具有一維結構的Ta4SiTe4無機材料與PVDF進行復合制備有機/無機柔性復合薄膜。通過化學氣相輸運反應,得到Ta位摻雜0.5% MoTa4SiTe4一維晶須。然后以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作為分散劑,通過滴涂的方法得到PVDF/Ta4SiTe4復合薄膜。掃描電鏡發現Ta4SiTe4晶須均勻分散于PVDF基體之中構成網絡狀結構。透射電鏡表明Ta4SiTe4晶須與PVDF形成緊密結合的兩相界面。熱電性能表征發現PVDF/50 wt% Ta4SiTe4具有優良電輸運性能,在220 K功率因子高達1060 μWm-1K-2。特別是,在相同的電導率下,PVDF/50 wt% Ta4SiTe4薄膜的澤貝克系數遠高于基于碳納米管或金屬納米線的有機/無機復合薄膜。Ta4SiTe4自身的半導體輸運特性和一維結構共同產生了上述的優良電輸運性能。 

  在實現優良電輸運性能的同時,維度匹配的PVDFTa4SiTe4所形成的有機/無機復合薄膜也具有良好的柔性。在直徑9 mm的曲面上反復彎曲5000次,PVDF/50 wt% Ta4SiTe4薄膜電阻沒有明顯變化。研究團隊初步制備了包含4PVDF/50 wt% Ta4SiTe4熱電單偶的原型熱電器件,在溫差35.5K時,器件歸一化最大功率密度達到0.13 Wm-1,是現有報道的柔性熱電器件的最大值。 

  研究工作得到了國家重點研發專項、國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會、上海市青年科技啟明星等項目的資助和支持。 

  文章鏈接:https://doi.org/10.1039/c9ee03776d  

 

  a) PVDF/Ta4SiTe4柔性復合薄膜示意圖。b) PVDF/Ta4SiTe4復合薄膜與已報道的一維有機-無機復合薄膜熱電性能對比。c)PVDF/Ta4SiTe4基原型熱電器件與已報道的柔性熱電器件的歸一化最大功率密度對比。 

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