有機-無機復(fù)合熱電材料不僅具有有機材料質(zhì)輕、高延展性、低成本、易制備等優(yōu)點，而且可以獲得比純有機材料更加優(yōu)異的熱電性能，近年來持續(xù)受到熱點關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的采用原位聚合或機械混合法制得的有機/無機復(fù)合熱電材料，存在著無機納米顆粒難分散、易氧化、粒徑大小難以控制以及無機相添加量過大（通常>25wt%）等問題，削弱了實際的復(fù)合效果，極大地阻礙了有機/無機復(fù)合熱電材料的進展。
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所陳立東研究員、姚琴副研究員的研究團隊在聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）基有機/無機復(fù)合熱電材料領(lǐng)域取得重要進展。該團隊采用新型氧化劑，通過自抑制聚合法，獲得了高膜厚無氣孔PEDOT:DBSA-Te量子點復(fù)合熱電薄膜，相關(guān)成果相繼發(fā)表于NPG Asia Materials, 2017, 9, 405；Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 8037–8042，并獲得授權(quán)專利一項。
研究團隊首先通過設(shè)計調(diào)控導(dǎo)電高分子對陰離子的分子結(jié)構(gòu)來調(diào)控對陰離子的位阻，實現(xiàn)了薄膜自抑制法聚合（SIP）新工藝，獲得了高性能可應(yīng)用的PEDOT厚膜材料，使得便捷制備微米級高電導(dǎo)率（> 103 S/cm）PEDOT薄膜成為了可能。在此研究基礎(chǔ)上，在自抑制效果下實現(xiàn)了高膜厚無氣孔PEDOT:DBSA-Te量子點復(fù)合薄膜的同步生成。通過新型Fe(III)氧化劑的自抑制作用，實現(xiàn)了PEDOT基體對均勻分散Te顆粒的緊密包覆，成功抑制了Te納米顆粒的氧化。進一步地通過調(diào)節(jié)氧化劑的比例可以控制Te含量和粒徑，最小粒徑可達到量子點級（<5nm）。最終，通過Te量子點的高效聲子散射機制，在較低的Te添加量下（2.1 ~ 5.8 wt%），實現(xiàn)了澤貝克系數(shù)和電導(dǎo)率的同時提升，獲得了功率因子超過100 μW/mK2的復(fù)合薄膜，比純的PEDOT:DBSA基體提高了50%以上。該項研究為未來有機-無機復(fù)合納米熱電材料制備展示了新的方法和思路。下一步，該團隊將探索更多基于此方法的PEDOT基復(fù)合材料的合成以及相關(guān)器件的制作。
自抑制法制備PEDOT厚膜和PEDOT/Te量子點復(fù)合薄膜路線圖
不同Te含量的PEDOT/Te復(fù)合薄膜的SEM、AFM和HTEM圖像
不同Te含量的PEDOT/Te復(fù)合薄膜的電導(dǎo)率、澤貝克系數(shù)和熱電功率因子
相關(guān)研究工作得到了973項目、國家自然科學基金、上海市科委等項目的資助。
論文鏈接：
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