Advanced Functional Materials:离子液体辅助制备力学性能优异的复合热电材料

传统化石燃料的过度消耗以及日益严重的环境问题促进了能源转换材料的快速发展。近年来,高分子复合热电材料在解决能源回收利用方面取得了突出的进展。除了热电性能的提高,复合材料力学性能的提升也受到了研究者们的关注,因为良好的力学性能是材料在复杂环境应用过程中的一个必要条件。然而,材料力学性能的提升往往是以牺牲热电性能为代价,反之亦然。最近,深圳大学陈光明特聘教授通过课题组离子液体(IL)辅助的办法制备一种同时具有优异力学性能和热电性能的聚3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐/聚乙烯醇/单壁碳纳米管(PEDOT:PSS/PVA/SWCNT)复合热电材料,为在不严重牺牲热电性能的前提下解决复合热电材料较差的力学性能提供了一种思路。

图1给出了PEDOT:PSS/PVA/SWCNT复合热电材料对IL浓度和SWCNT含量的依赖性。从图1a可以看出,复合材料(SWCNT含量为30 wt%)在IL含量为50wt %时展示出最优的热电性能。因此研究了IL含量固定为50wt%时热电性能随着SWCNT含量的变化(图1b~d),复合材料在SWCNT含量为60 wt%时达到最大值(106.1 ± 8.2 μW m-1 K-2)。

图1. 复合材料的热电性能随着IL(a)和SWCNT(b~d)浓度的变化

图2a 是复合热电材料材料的力学性能图。SWCNT含量的60 wt%的拉伸模量可达4.2 ± 0.5 GPa,断裂强度可达136.5 ± 10.6 MPa,该复合材料可轻易提起2 kg的砝码(图2b)。这主要归因于IL辅助SWCNT表面与聚合物相形成氢键,增强了界面性能(图2c和d)。综合考虑复合材料的热电性能与热电性能(图e),IL辅助制备的复合热电材料远高于其他类型的高分子复合热电材料。

图2. 复合热电材料的力学性能(a,b)、IL在界面处的作用(c)、复合材料的断面SEM图(d)、复合材料与其他材料的热电性能及力学性能的综合比较(e)。

该工作得到了国家自然科学基金(51973122))和广东省基础与应用基础研究基金联合基金(2019A1515111196)资助。在读硕士研究生李智鹏为论文第一作者,张贻川副研究员和陈光明特聘教授是该论文共同通讯作者。

论文信息:

Mechanically Robust and Flexible Films of Ionic Liquid-Modulated Polymer Thermoelectric Composites

Zhipeng Li, Liang Deng, Haicai Lv, Lirong Liang, Wenjiang Deng, Yichuan Zhang*, Guangming Chen*

Advanced Functional Materials

DOI:10.1002/adfm.202104836

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104836