聚吡咯基有机/无机复合热电材料的制备及性能研究
作者单位:天津理工大学
学位级别:硕士
导师姓名:杜学丽;王冬梅
授予年度:2023年
学科分类:08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程(可授工学、理学学位)]
摘 要:现今,能源危机与环境污染问题日益严重,不断促使人们开发与研究清洁可再生能源。热电材料作为一种环境友好型材料可实现热能与电能的相互转换,被认为是实现余热回收利用的一种新型能源供给方式。有机聚合物热电材料具备低热导率、原料丰富、易合成、有利于制备柔性器件等优势,但整体热电性能不高,限制了实际应用;传统无机热电材料,其热电性能相对较高,但缺点同时存在,如原料的不可再生性、对环境不友好等。然而,有机/无机复合热电材料结合两者的优势,近年来不断在热电领域取得新突破。本文主要研究了聚吡咯(PPy)及以PPy为基体复合不同无机分散相的有机/无机热电材料的制备及性能,为解决材料中Seebeck系数、电导率、热导率相互耦合的问题提供了实验方法和理论支持。本文主要包括以下三个部分的研究成果:(1)基于典型的P型有机聚合物PPy,本文依据正交设计思路对其制备工艺进行了优化,探究了不同氧化剂、模板剂、聚合时间等因素的变化对聚吡咯热电性能的影响。最终确定了利用化学氧化法以三氯化铁(Fe Cl)为氧化剂,甲基橙(MO)为模板剂,冰浴(0℃~5℃)条件下聚合5 h为聚吡咯的合成条件,为后续复合材料的制备提供了实验与理论基础。(2)通过引入氧化铜(CuO)作为无机分散相实现对PPy/x CuO复合材料热电效应的调控,探究不同质量分数下PPy/x CuO(x=5%、10%、20%、30%)复合材料在300 K~380 K温度范围内的热电性能。相较于纯PPy,PPy/x CuO复合材料的电导率、Seebeck系数同时增强,热导率降低,且当温度为300 K,x=20%时,PPy/x CuO的电导率为3946.97 S/m,Seebeck系数为10.23μV/K,功率因子为0.4131μW·m·K,热导率为0.1255 W·m·K,ZT值为0.9874×10,是纯PPy ZT值的5.2倍。(3)引入铜锡硫(CuSn S)作为无机分散相制备PPy/x CuSn S复合热电材料,通过改变CuSn S在复合材料中的质量分数,探究PPy/x CuSn S(x=0.5%、1%、3%、5%)复合材料的热电性能。在300 K~380 K温度范围内,相较于纯PPy,PPy/x CuSn S复合材料的电导率、Seebeck系数增强,热导率下降,当温度为300 K,x=1%时,PPy/x CuSn S的ZT值为1.6447×10,是纯PPy ZT值的8.5倍。