上海矽酸鹽所在柔性有機/無機熱電複合材料研究中取得進展

2020-12-07 中國科學院

上海矽酸鹽所在柔性有機/無機熱電複合材料研究中取得進展

2020-06-01 上海矽酸鹽研究所

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　　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/無機複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，並沿鏈網絡提供高導電通道，因此常被用於有機/無機複合熱電材料的研究。但碳納米管或金屬納米線極低的澤貝克係數導致複合材料的澤貝克係數難以提高。而無機熱電材料雖然具有高澤貝克係數，但是其形狀通常為片狀或顆粒狀，導致複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/無機複合熱電材料研究的關鍵科學問題。

　　最近，中國科學院上海矽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教授賀健合作，提出了一種維度匹配的熱電複合材料設計新策略，即使用同樣具有一維結構的無機半導體材料製備高性能PVDF/Ta4SiTe4有機/無機柔性熱電複合薄膜，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導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 ，發表於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。基於維度匹配的設計思路，該團隊選擇了同樣具有一維結構的Ta4SiTe4無機材料與PVDF進行複合製備有機/無機柔性複合薄膜。通過化學氣相輸運反應，得到Ta位摻雜0.5% Mo的Ta4SiTe4一維晶須。然後以N,N-二甲基甲醯胺（DMF）作為分散劑，通過滴塗的方法得到PVDF/Ta4SiTe4複合薄膜。掃描電鏡發現Ta4SiTe4晶須均勻分散於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。熱電性能表徵發現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薄膜的澤貝克係數遠高於基於碳納米管或金屬納米線的有機/無機複合薄膜。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PVDF和Ta4SiTe4所形成的有機/無機複合薄膜也具有良好的柔性。在直徑9 mm的曲面上反覆彎曲5000次，PVDF/50 wt% Ta4SiTe4薄膜電阻沒有明顯變化。研究團隊初步製備了包含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到0.13 Wm-1，是現有報導的柔性熱電器件的最大值。

　　研究工作得到國家重點研發專項、國家自然科學基金、中科院青年創新促進會、上海市青年科技啟明星項目等的資助和支持。

　　文章連結

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


　　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/無機複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，並沿鏈網絡提供高導電通道，因此常被用於有機/無機複合熱電材料的研究。但碳納米管或金屬納米線極低的澤貝克係數導致複合材料的澤貝克係數難以提高。而無機熱電材料雖然具有高澤貝克係數，但是其形狀通常為片狀或顆粒狀，導致複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/無機複合熱電材料研究的關鍵科學問題。
　　最近，中國科學院上海矽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教授賀健合作，提出了一種維度匹配的熱電複合材料設計新策略，即使用同樣具有一維結構的無機半導體材料製備高性能PVDF/Ta4SiTe4有機/無機柔性熱電複合薄膜，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導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 ，發表於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。基於維度匹配的設計思路，該團隊選擇了同樣具有一維結構的Ta4SiTe4無機材料與PVDF進行複合製備有機/無機柔性複合薄膜。通過化學氣相輸運反應，得到Ta位摻雜0.5% Mo的Ta4SiTe4一維晶須。然後以N,N-二甲基甲醯胺（DMF）作為分散劑，通過滴塗的方法得到PVDF/Ta4SiTe4複合薄膜。掃描電鏡發現Ta4SiTe4晶須均勻分散於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。熱電性能表徵發現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薄膜的澤貝克係數遠高於基於碳納米管或金屬納米線的有機/無機複合薄膜。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PVDF和Ta4SiTe4所形成的有機/無機複合薄膜也具有良好的柔性。在直徑9 mm的曲面上反覆彎曲5000次，PVDF/50 wt% Ta4SiTe4薄膜電阻沒有明顯變化。研究團隊初步製備了包含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到0.13 Wm-1，是現有報導的柔性熱電器件的最大值。
　　研究工作得到國家重點研發專項、國家自然科學基金、中科院青年創新促進會、上海市青年科技啟明星項目等的資助和支持。
　　文章連結
　　圖a) PVDF/Ta4SiTe4柔性複合薄膜示意圖。b) PVDF/Ta4SiTe4複合薄膜與已報導的一維有機-無機複合薄膜熱電性能對比。c)PVDF/Ta4SiTe4基原型熱電器件與已報導的柔性熱電器件的歸一化最大功率密度對比。
　　

列印 責任編輯：葉瑞優

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