苯胺齐聚物-聚氧乙烯-苯胺齐聚物三嵌段共聚物/碳纳米管的热电性能研究

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近年来,在能源危机和环境污染日益严重的情况下,寻找一种新型、高效的能源材料就显得至关重要。热电材料作为一种将热能和电能相互转换的功能材料,将工业生产和日常生活中的废热回收、进行二次利用。热电材料有着广泛的应用前景,可应用于余热回收利用、温差发电、温控及热电制冷等领域。但目前大多数的热电材料为无机材料,价格昂贵、加工工艺复杂,或其组成包含稀有元素且毒性较大,限制了热电材料的发展和应用。因此,研发一种兼具价格低廉、工艺简单且环保的新型热电材料成为当前亟待解决的重大课题。本文以二苯胺与聚乙二醇为原料合成苯胺齐聚物-聚氧乙烯-苯胺齐聚物三嵌段共聚物,并与碳纳米管进行复合,制备苯胺齐聚物-氧乙烯-苯胺齐聚物三嵌段共聚物/碳纳米管复合材料。开展了如下工作:1)首先以二苯胺为原料,经过氧化偶联合成苯胺齐聚物;再以聚乙二醇为中间嵌段,合成苯胺齐聚物-聚氧乙烯-苯胺齐聚物三嵌段共聚物。并对所合成的嵌段共聚物进行氢核磁共振谱(1H NMR)、红外光谱(IR)和拉曼光谱(Ramin)等测试表征。然后,对嵌段共聚物进行热电性能测试,该嵌段共聚物材料Seebeck系数和电导率分别为-1171μV·K-1,10-22 S·m-1。而且(ANI)n-b-PEO-b-(ANI)n的塞贝克系数随着温度的升高而具有p-n转变,基于热电性能表现出良好的温度敏感性,可以制备性能优异的热敏器件。2)运用超声法成功制备了(ANI)n-b-PEO-b-(ANI)n/CNTs复合材料。研究了苯胺嵌段共聚物对碳纳米管电化学性能的影响。利用红外光谱(FTIR)、透射电镜(TEM)等对材料的组成和结构进行测试表征。实验结果表明,三嵌段共聚物在碳纳米管表面形成了一层很薄的包覆层,与碳纳米管具有强烈的π-π相互作用和掺杂行为。采用循环伏安法(CV)、充放电(CD)和交流阻抗(EIS)等一系列的电化学性能测试表征,结果表明:相比碳纳米管材料,(ANI)n-b-PEO-b-(ANI)n/CNTs复合材料的各项电化学性能有显著的提升,其中,(ANI)16-b-PEO-b-(ANI)16/CNTs的比电容达到477 F/g,电化学性能表现非常优异。3)通过对(ANI)n-b-PEO-b-(ANI)n/CNTs复合材料的热电性能测试,发现其电导率和塞贝克系数都呈现出对温度的依赖性,且随着温度的升高而逐渐增大,其功率因子也随之增大。电导率测试结果表明:相比于纯嵌段共聚物的导电率10-2 S·m-1,掺杂碳纳米管后,苯胺嵌段共聚物的电导率显著增大,室温下(ANI)16-b-PEO-b-(ANI)16/CNTs的电导率为798.46 S·m-1,表现出非常优异的电导性能,且随温度升高呈现出增加的趋势,而Seebeck系数降低至1823μV·K-1;其中(ANI)16-b-PEO-b-(ANI)16/CNTs复合材料表现出较高的功率因子。
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