【摘 要】
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世界上大约90%的能源是由燃烧化石燃料产生的。世界对能源的需求导致社会和政治动荡急剧升级。同样,矿物燃料燃烧造成的全球气候变化对环境的影响也越来越令人担忧。此外,化石能源技术不能满足世界范围内快速增长的电力需求。开发新的能源转换技术来解决这一问题是非常迫切需要的。一个改善我们电力基础可持续性的方法是使用热电(TE)发电机利用废热直接转换成电能。家庭供暖、汽车尾气和工业过程都会产生大量未使用的废热,
【基金项目】
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国家自然科学基金(51572117,51463008,51402134); 江西省自然科学基金(20151BAB217024,20161BAB216129); 江西省教育厅基金(GJJ150809,GJJ170663);
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世界上大约90%的能源是由燃烧化石燃料产生的。世界对能源的需求导致社会和政治动荡急剧升级。同样,矿物燃料燃烧造成的全球气候变化对环境的影响也越来越令人担忧。此外,化石能源技术不能满足世界范围内快速增长的电力需求。开发新的能源转换技术来解决这一问题是非常迫切需要的。一个改善我们电力基础可持续性的方法是使用热电(TE)发电机利用废热直接转换成电能。家庭供暖、汽车尾气和工业过程都会产生大量未使用的废热,这些废热可以通过热电发电机转化为电能。由于热电发电机是无需任何移动部件或产生运行噪声的固态设备,它们安静、可靠、可扩展,使其成为小型化、便携化、可穿戴化电子设备供电的理想选择,引起了研究人员的广泛关注。作为最经典的有机热电材料,商业化的聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)由于其高的柔韧性,无毒性,环境稳定性以及可见光范围内的光学透明性等,成为研究热点。然而,为了满足实际应用的要求,PEDOT:PSS的热电性能仍需进一步提高,寻求复合制备是主要策略之一。本论文基于PEDOT:PSS制备了两种不同的柔性复合材料,旨在通过复合实现材料热电性能的提高,其次,通过有机溶剂后处理的方式对复合材料的性能进一步优化,主要内容归纳如下:1.本章通过将PEDOT:PSS与聚苯胺(PANI)原位复合,在静电相互作用的基础上制备了水分散的PEDOT:PSS:PANI杂化体,然后通过真空抽滤得到有机热电薄膜。系统的研究了苯胺单体的投入量以及多种有机溶剂后处理对薄膜热电性能的影响。此复合体系的优势在于两种聚合物具有协同效应,即PEDOT:PSS分子不仅能够为PANI的原位制备提供质子,而且还能提高PANI的溶解性和导电性。另外,互补掺杂形成的PANI:PSS盐又会增加PSS与PEDOT在主链上的静电斥力,从而提高聚合物链的线性度,进一步提高电导率。研究发现,当苯胺投料比为20 wt%时,复合材料的电导率达到43.7 S cm-1这主要归功于PSS与PANI之间存在较强的相互作用。DMSO&CSA处理后,其功率因子显著提高为4.26μW m-1 K-2。该原位复合方法可为各种氨基衍生物与导电聚合物的结合,以及优化复合薄膜的热电性能提供参考。2.本章系统的研究了聚乙烯醇(PVA)和碲纳米线(Te NWs)含量对三元复合纤维热电以及机械性能的影响。此外,还对经乙二醇(EG)处理后的PEDOT:PSS/PVA/Te NWs纤维的热电和机械性能进行了进一步研究。所得的复合纤维的功率因子在室温下为8.5μWm-1 K-2,更重要的是,它们机械柔韧,拉伸强度为76 MPa,断裂应变为12.3%。高抗拉强度和适当的断裂伸长率对于可穿戴的热电设备承受织物的编织和人类活动是必不可少的。最后,一个纤维基热电发电机(FTEGs)由十对EG-PEDOT:PSS/PVA/Te NWs复合纤维和铜线所组成,其在60 K温差下的输出电压和功率密度分别为5.03 m V和28.87μW cm-2。
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