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1、Vol.37高等学校化学学报No.22016年2月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES213~220[综合评述]doi:10.7503/cjcu20150506导电高分子及其纳米复合材料的热电性质毛健新1,乜广弟1,卢晓峰1,高木1,王威2,王策1(1.吉林大学麦克德尔米德实验室,化学学院,长春130012;2.哈尔滨工业大学水资源与水环境国家重点实验室,哈尔滨150001)摘要与无机热电材料相比,有机热电材料具有资源丰富、成本低、质量轻、柔韧性好及热导率低等优点,成为热电研究领域关注的热点.理论和实验结果表明,低维化和小尺度化是热电材料研究和开发
2、的发展方向.本文对低维有机热电材料的合成、器件组装及热电性质的影响因素等进行简要评述,并对低维有机热电材料的研究方向进行了讨论.关键词有机热电材料;低维纳米复合材料;导电高分子中图分类号O631.2文献标志码A热电材料是一种利用固体内部载流子运动,实现热能和电能直接相互转换的功能材料.由电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应称为热电效应,包括Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应.利用热电效应制备的器件属于绿色能源,具有结构简单、坚固耐用、无需运动部件、无磨损、无噪音及无污染等优点.热电器件包括热电发电和热电制冷两类,基本工作原理如图1所示.将n型半导体(电子供体
3、)与p型半导体(电子受体)一端置于闭路高温下,另一端置于开路低温下,由于高温端热激发作用较强导致空穴和电子浓度较高,产生一定的载流子梯度,在载流子梯度的驱使下,空穴和电子向低温端移动,由于低温端为开路,即形成一定的电势差[图1(A)].图1(B)为根据珀耳帖效应进行热电制冷的工作原理.在外加电场的作用下,热电材料内部的电子发生定向移动,一部分内能通过定向移动带由一端向另一端移动,所以可以在电流的作用下达到一端制冷一端制热的效果.Fig.1Basicworkingprincipleofthethermoelectricdevices热电优值(ZT)对热电能量转换效率具有至关重要的作用,
4、可以表达为ZT=S2Tσ/κ,其中S为材料的塞贝克(Seebeck)系数(μV/K),σ为材料的电导率(S/cm),T为材料的工作温度,κ为材料的热导率[W/(m·K)].由此可知,材料获得优异的热电性能必须具有塞贝克系数大、电导率高及热导率收稿日期:2015-06-30.网络出版日期:2016-01-14.基金项目:国家自然科学基金(批准号:21474043,21274052)资助.联系人简介:王策,女,博士,教授,博士生导师,主要从事纳米纤维制备及导电高分子研究.E-mail:cewang@jlu.edu.cn低等特点[1].目前,提高材料的热电优值的方法主要有增加材料的声子散射
5、及降低晶格热导率等.因此,热电材料的研究热点也转向了量子点、量子线、超晶格等低维材料[2],这类材料的ZT可达到1.5左右[3].传统的无机热电材料通常具有较高的Seebeck系数及良好的导电性,如碲化铅(PbTe)、三锑化钴(CoSb3)、碲化铋(Bi2Te3)及具有笼状结构的β-Zn4Sb3和硼化物等.但这些元素大部分在地壳中的含量匮乏、价格昂贵,部分元素毒性较大,此外这些材料的机械性能普遍较差[4].因此,人们将视线转移到有机热电材料[5~7].与无机热电材料相比,有机热电材料具有资源丰富、成本低、质量轻、柔韧性好、机械性能佳和热导率低等优点,具有较高载流子浓度的导电高分子材料
6、成为获得优异热电性能的最佳选择.目前,以导电高分子为基础的低维复合纳米材料已经成为热电材料领域的研究热点.本文对聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTH)及聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)等导电高分子及其复合纳米材料的合成、器件组装及热电性质的影响因素等进行简要评述,并对低维导电高分子热电材料的研究方向进行了讨论.1聚苯胺及其复合纳米材料的热电性质聚苯胺在二次电池、微波吸收、电磁屏蔽、金属防腐、传感器及催化等领域应用广泛[8],聚苯胺及其复合物的微纳米结构材料在热电器件的研制及组装方面也展现出巨大的应用潜力[9,10].Toshima等[11]通过拉伸方法获得各向异性的樟脑磺
7、酸掺杂的聚苯胺薄膜,在拉伸方向上ZT值可达到2.9×10-2,而垂直于拉伸方向的ZT值只有4.4×10-3.这主要是因为,聚苯胺分子链缠绕结构的伸长导致载流子迁移率的增长,提高了聚苯胺的热电性能.Liu等[12]报道了聚苯胺材料的制备方法及反应温度等因素对材料的塞贝克系数、电导率、热导率的影响和变化规律,发现二次掺杂也能够提高聚苯胺材料的热电性能.Tang等[13]将苯胺、过硫酸铵与不同浓度(0.25,0.5,1.0,1.25,1.5mol/L)的盐酸混合
