我的新闻Top500

分享到:
2022年04月,课题组孙旭同学Advanced Functional Materials文章接收
发布者: 王洪 | 2022-04-01 | 2370

西安交大王洪团队《AFM》:基于各向异性特征制备高热电功率因子碳纳米管薄膜,实现电解水制氢

热电材料是实现热能与电能相互转换的功能材料,在废热回收及绿色制冷领域中具有巨大的应用潜力。其中,有机热电材料因结构多样、易加工且导热率低等特点而备受关注。近年来,热电材料研究迎来井喷发展。通过掺杂调节载流子浓度是提高导电聚合物热电性能的主要方法。然而,掺杂后聚合物带隙中载流子浓度增大,导致塞贝克系数下降,从而影响其热电转换功率。因此,如何在保持一定塞贝克系数的前提下,提高有机热电材料电荷传输性能,是有机热电材料领域发展亟待解决的关键问题。

近日,西安交通大学王洪教授团队利用一维MWCNTs的各向异性电导率和各向同性塞贝克系数特性,采用FCVD法合成高品质MWCNTs膜,并通过掺杂和冷压工艺协同提高其导电率,获得了1800 μW·m-1-2 高功率因子MWCNTs薄膜,其单位面积输出功率高达27 W·m2可与最先进的无机热电材料媲美。此外,由该膜组装的柔性TEGs器件可用于热管发电,输出电压达1.4 V,可供电解水制氢。该工作以“Anisotropic Electrical Conductivity and Isotropic Seebeck Coefficient Feature Induced High Thermoelectric Power Factor>1800 μW·m-1K-2 in MWCNT Films"为题发表在 Advanced Functional Mateirals 期刊上。

为解耦电热材料电导率、塞贝克系数以及导热系数三者间的相互制衡关系,实验利用低维MWCNT的量子束缚效应(费米能级附近态密度增加),提高载流子的有效质量,从而获得较高塞贝克系数。同时利用多能级费米面的各向异性,通过n/p-型掺杂和冷压工艺协同提高MWCNT的载流子迁移率,获得高电导率。此外,由于低维MWCNTs存在高边界散射,具有低导热系数。因此基于高品质MWCNT膜,通过掺杂和冷压工艺调控,有望实现高功率因子有机薄膜的制备。

实验首先采用浮动化学气相沉积法合成了多壁碳纳米管气凝胶,接着通过调节卷绕速度、化学掺杂和冷压工艺改善MWCNT薄膜的热电(TE)性能。合成的MWCNT薄膜宽幅达10.5 cm,且呈层状结构。结合拉曼光谱和TGA分析,MWCNT薄膜具有高IG/ID(IG/ID=17),表明其具有良好质量。