二维Mo(S,Se)2基复合材料的制备及热电性能研究

来源 :江西科技师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:luocaohuozi12345
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人类文明和工业化的快速发展给我们的日常生活和普遍经济带来便益的同时,也引发了环境污染和能源短缺等一系列问题。因此,环境友好型清洁能源的开发及其应用引起世界的广泛重视。热电材料,是一种能够在不引起环境污染的同时充分利用工业、生活中的废热实现热能与电能直接相互转化的功能型材料,受到广泛关注。近十年来,二维过渡金属硫化物(TMDCs)以其独特的化学性质和电子结构在能量储存与转化、催化、光电子器件等领域受到广泛的关注,此外,TMDCs能带结构可调的特性和较低的热导率使其在热电性能方面显示出巨大的潜力。二硫化钼(MoS2)和二硒化钼(MoSe2)作为典型的TMDCs材料,是一种拥有可调带隙的半导体材料,一些理论计算的研究表明其具有相对较高的迁移率,进而拥有较高的Seebeck系数以及较低的热导率,在热电领域具有极高的应用前景。目前的研究表明,由于其电子带结构中存在量子限制,纳米结构材料的热电性能将比其块材料有所提高;然而,相对于许多无机材料或者导电高分子材料,其电导率仍然不理想,其热电性能仍有很大的提升空间。目前,已有报道证明制备复合薄膜是构筑高热电性能材料有效的方法。为实现其热电性能的提升,制备Mo(S,Se)2的复合材料,结合彼此的优点,改善单一材料的短板性能,对加速其在热电方面的应用是非常有意义的。基于以上思考,本文采用了液相剥离方法制备并得到了单层/少层的Mo(S,Se)2纳米片,将其分别与不同的材料复合,并系统地分析了其复合材料的热电性能。主要的研究结果如下:1.通过嵌锂剥离法结合原位复合方法,制备Ag-MoS2复合薄膜并对其复合薄膜热电性能展开了系统地研究。研究发现,Ag纳米粒子修饰的MoS2复合薄膜,其电导率和Seebeck系数分别提高了1.24倍和1.14倍,实现了电导率与Seebeck的解耦,最终得到的Ag-MoS2复合薄膜最佳功率因数为30.3μW m-1 K-2。此外,这种纳米粒子修饰MoS2纳米片的方式同样适用于其他三种贵金属:Au、Pt、Pd,分别制备了Au-MoS2、Pt-MoS2、Pd-MoS2复合薄膜并系统地测试其复合薄膜的热电性能。2.基于嵌锂剥离法制备的溶液可分散1T-MoS2纳米片表面电荷各向异性的电子特性,利用纳米限域内的胶体作用力,采用铜离子作为调节剂,实现对MoS2薄膜缺陷区域的修饰,并系统地研究了其修饰后MoS2复合薄膜的热电性能。研究发现,Cu2+对MoS2凝胶薄膜的修饰主要集中于集中在MoS2纳米片边缘之间的间隙或空隙缺陷区域;同时,Cu的引入在MoS2凝胶薄膜的间隙区域起到了一个桥联的作用,改善了载流子的运输。最终得到Cu-MoS2复合薄膜的Seebeck系数为159.4μV K-1,最大的功率因数为23.5μW m-1 K-2;同时,其热电性能的稳定性也得到了改善。本实验突破了传统修饰2D材料研究只能控制其层间距的概念,可以促进2D薄膜材料的进一步基础研究和潜在应用。3.基于气凝胶具有较低热导率的优势,采用真空冷冻干燥法,制备MoS2/PEDOT:PSS的复合气凝胶,系统的研究了其热电性能并初步探究了乙二醇后处理对MoS2/PEDOT:PSS复合气凝胶热电性能的影响。实验结果表明,制备的MoS2/PEDOT:PSS复合气凝胶具有质量轻、密度低的优点,最大功率因数可以达到6μW m-1 K-2;此外MoS2/PEDOT:PSS复合气凝胶在乙二醇的浸泡后仍保持基本不变的热电性能,这说明复合气凝胶的结构在乙二醇中极其稳定。本实验证明,MoS2/PEDOT:PSS复合气凝胶可以在保持低热导率的基础上,得到较高的热电性能,为高热电性能复合材料的研究提供了新的方向。4.通过水热法制备了MoSe2晶体,分别通过溶剂剥离和嵌锂剥离得到s-MoSe2和l-MoSe2纳米片,其中通过嵌锂剥离得到的l-MoSe2溶液具有1T-MoSe2纳米片。通过与高导电的聚合物PEDOT:PSS复合,分别制备了s-MoSe2/PEDOT:PSS和l-MoSe2/PEDOT:PSS复合材料,通过优化MoSe2和PEDOT:PSS的比例探究其热电性能。实验结果表明,7 wt%MoSe2与PEDOT:PSS复合制备的复合薄膜,其功率因数得到了显著提升,最大值为48.6μW m-1 K-2。这一方面是由于复合材料内部形成了丰富的界面引起的能量过滤效应作用增强,另一方面是由于溶剂对PEDOT:PSS分子链的处理,去除了部分PSS分子。本实验证明,MoSe2/PEDOT:PSS复合材料能有效的利用两种材料的优势,实现优势互补,达到优化热电性能的目的。
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