上海硅酸鹽所在柔性有機(jī)/無機(jī)熱電復(fù)合材料研究 2020-06-01 13:08?

核心提示：柔性熱電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)可將環(huán)境或人體溫差轉(zhuǎn)化成電能實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的自供電，在可穿戴等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)無機(jī)熱電材料具有優(yōu)異的熱電性能，但不具備柔性功能；而有機(jī)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(jī)/無機(jī)復(fù)合熱電材料可綜合無機(jī)材料的熱電高性能和有機(jī)材料的良好彎曲性能，成為近年來的研究熱點(diǎn)。

柔性熱電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)可將環(huán)境或人體溫差轉(zhuǎn)化成電能實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的自供電，在可穿戴等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)無機(jī)熱電材料具有優(yōu)異的熱電性能，但不具備柔性功能；而有機(jī)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(jī)/無機(jī)復(fù)合熱電材料可綜合無機(jī)材料的熱電高性能和有機(jī)材料的良好彎曲性能，成為近年來的研究熱點(diǎn)。具有一維結(jié)構(gòu)的碳納米管或金屬納米線可以與有機(jī)材料的一維分子鏈形成緊密連接的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并沿鏈網(wǎng)絡(luò)提供高導(dǎo)電通道，因此常被用于有機(jī)/無機(jī)復(fù)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(shù)導(dǎo)致復(fù)合材料的澤貝克系數(shù)難以提高。而無機(jī)熱電材料雖然具有高澤貝克系數(shù)，但是其形狀通常為片狀或顆粒狀，導(dǎo)致復(fù)合材料低的電輸運(yùn)性能。因此，如何選擇匹配的有機(jī)/無機(jī)材料從而獲得良好的電輸運(yùn)成為有機(jī)/無機(jī)復(fù)合熱電材料研究的關(guān)鍵科學(xué)問題。

最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員史迅、陳立東、副研究員仇鵬飛、瞿三寅等與美國克萊姆森大學(xué)教授賀健合作，提出了一種維度匹配的熱電復(fù)合材料設(shè)計新策略，即使用同樣具有一維結(jié)構(gòu)的無機(jī)半導(dǎo)體材料制備高性能PVDF/Ta4SiTe4有機(jī)/無機(jī)柔性熱電復(fù)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(guān)研究成果以Conformal organic–inorganic semiconductor composites for flexible thermoelectrics 為題 ，發(fā)表于Energy & Environmental Science上。

　   有機(jī)材料聚偏氟乙烯（PVDF）具有一維鏈狀結(jié)構(gòu)，是一種具有優(yōu)良柔性的絕緣體。基于維度匹配的設(shè)計思路，該團(tuán)隊選擇了同樣具有一維結(jié)構(gòu)的Ta4SiTe4無機(jī)材料與PVDF進(jìn)行復(fù)合制備有機(jī)/無機(jī)柔性復(fù)合薄膜。通過化學(xué)氣相輸運(yùn)反應(yīng)，得到Ta位摻雜0.5% Mo的Ta4SiTe4一維晶須。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(fù)合薄膜。掃描電鏡發(fā)現(xiàn)Ta4SiTe4晶須均勻分散于PVDF基體之中構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。透射電鏡表明Ta4SiTe4晶須與PVDF形成緊密結(jié)合的兩相界面。熱電性能表征發(fā)現(xiàn)PVDF/50 wt% Ta4SiTe4具有優(yōu)良電輸運(yùn)性能，在220 K功率因子高達(dá)1060 μWm-1K-2。特別是，在相同的電導(dǎo)率下，PVDF/50 wt% Ta4SiTe4薄膜的澤貝克系數(shù)遠(yuǎn)高于基于碳納米管或金屬納米線的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合薄膜。Ta4SiTe4自身的半導(dǎo)體輸運(yùn)特性和一維結(jié)構(gòu)共同產(chǎn)生了上述的優(yōu)良電輸運(yùn)性能。

在實(shí)現(xiàn)優(yōu)良電輸運(yùn)性能的同時，維度匹配的PVDF和Ta4SiTe4所形成的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合薄膜也具有良好的柔性。在直徑9 mm的曲面上反復(fù)彎曲5000次，PVDF/50 wt% Ta4SiTe4薄膜電阻沒有明顯變化。研究團(tuán)隊初步制備了包含4個PVDF/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(dá)到0.13 Wm-1，是現(xiàn)有報道的柔性熱電器件的最大值。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)專項、國家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、上海市青年科技啟明星項目等的資助和支持。

　?

　　圖a) PVDF/Ta4SiTe4柔性復(fù)合薄膜示意圖。b) PVDF/Ta4SiTe4復(fù)合薄膜與已報道的一維有機(jī)-無機(jī)復(fù)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。

                                                                                                                                             文章內(nèi)容來源轉(zhuǎn)自：上海硅酸鹽研究所