CN106784285A - 一种柔性纳米复合热电材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种柔性纳米复合热电材料制备方法，首先将纸浸入在吡咯单体的水溶液中搅拌，当纸吸附吡咯单体充分后，将FeCl3·6H2O的水溶液滴加到上述溶液中，继续搅拌；反应结束后，将合成好的PPy/纸纳米复合材料样品转移到一个烧杯中，用去离子水和无水乙醇反复洗涤后进行干燥。将干燥后的复合材料在HCl溶液中浸泡进行掺杂，然后再次干燥。最后使用DMSO掺杂的PEDOT:PSS溶液对PPy/纸纳米复合材料进行处理，干燥后得到柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料。通过本发明的方法制备的柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料可用于可穿戴柔性热电发电和制冷器件领域。
Description
技术领域
本发明属于材料学领域，涉及一种热电材料，具体来说是一种柔性纳米复合热电材料的制备方法。
背景技术
热电材料又称温差电材料，是一类可以实现热能和电能之间相互直接转换的功能材料。使用热电材料所制备的热电发电和制冷器件在应用过程中具有结构简单、体积小、无需运动部件、无磨损、无噪音、无污染等优点。因此，热电材料是一类具有广泛应用前景的环境友好材料。
热电材料性能指标一般用无量纲优值ZT进行衡量，其表达式如下：
ZT＝S²σT/k
其中：S为Seebeck系数；σ为电导率；k为热导率；T为热力学温度。上述公式中的三个物理量Seebeck、电导率和热导率之间相互制约，难以独立调控，所以很难提高材料的ZT值。
传统的热电材料主要是无机半导体材料，如Bi2Te3、PbTe等，由于存在着重金属污染和加工工艺相对复杂等缺点，限制了其在可穿戴柔性热电器件中的应用。有机热电材料由于它们具有低密度、低热导率、易合成和加工等优点已经被很多研究者所关注。聚吡咯(PPy)是有机热电材料的一种，具有相对高的电导率、低热导率、容易合成等优点，具有广阔的应用前景。PEDOT:PSS是目前报道的ZT值最高的热电材料，室温下ZT能达到0.42(NatrueMaterials.12,2013, 719-23)。PEDOT:PSS还具有低的热导率、低密度、透明度高、热稳定性好、容易合成等优良特性。
纸是一种价格低廉和常见的材料。若能以纸作为柔性基底，采用适当的工艺制备柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料，将可能发挥导电高分子PPy、PEDOT:PSS和纸各自的优点，从而制备出柔韧性好、可弯折、成本低、使用范围广的柔性热电材料。并且所制备的柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料在可穿戴热电发电和制冷器件领域具有广阔的应用前景和经济价值。但是目前关于柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料的制备和性能研究未见报道。
发明内容
针对现有技术的上述技术问题，本发明提供了一种柔性纳米复合热电材料的制备方法，所述的这种柔性纳米复合热电材料的制备方法具有工艺简单、易操作等特点。
本发明提供了一种柔性纳米复合热电材料制备方法，包括如下步骤：
1)将纸剪切后浸入在吡咯单体的水溶液中，在吡咯单体的水溶液中，吡咯单体的体积百分比为0.1-1.2%，以100转/分钟-400转/分钟的速率进行搅拌；
2)当纸吸附吡咯单体充分后，将FeCl3·6H2O的水溶液滴加到上述溶液中，在所述的FeCl3·6H2O的水溶液中，FeCl3·6H2O和去离子水的质量体积比为1.5-15g:100ml，FeCl3·6H2O与吡咯单体的摩尔比是1:1-8:1，保持原有搅拌速率继续搅拌反应4-24h；
3)一个洗涤的步骤，在所述的洗涤的步骤中，分别采用去离子水和无水乙醇清洗；
4)然后进行干燥，干燥温度为60-80°C，干燥时间为6-24h；
5) 还包括一个采用盐酸溶液进行掺杂的步骤，在所述的采用盐酸溶液进行掺杂的步骤中，将步骤4）干燥后的聚吡咯(PPy)/纸复合材料浸入在0.1-1.2mol/L 盐酸溶液中2-14h；
6)然后再进行干燥，干燥温度为60-80°C，干燥时间为6-24h；
7)一个采用聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)（PEDOT:PSS）的步骤；将干燥后的PPy/纸复合材料浸入含二甲亚砜 (DMSO)的质量分数为2%-30%的PEDOT:PSS溶液中0.2-3h；
8)然后再进行干燥，干燥温度为80-140°C，干燥时间为0.1-2h，得到一种柔性纳米复合热电材料。
进一步的，所述的步骤1）中的纸为打印纸、宣纸、牛皮纸、或者传真纸中的任意一种或者两种以上的组合。
进一步的，在步骤1）中，剪切后纸的大小在0.5cm*0.5cm至4cm*4cm之间。
进一步的，在步骤3）中的洗涤是指反应结束后，将PPy/纸复合材料转移到烧杯中，先用去离子水清洗3次，然后再用无水乙醇清洗3次。
本发明通过化学原位聚合法制备了PPy/纸复合材料，然后通过HCl进行掺杂，最后使用DMSO掺杂的PEDOT:PSS进行处理，制备柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料，提高材料的热电性能。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明的方法简便可行、容易实现规模化生产，所制备的柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料具有柔韧性好、可弯折、成本低、使用范围广等特点，可用于可穿戴柔性热电发电和制冷器件，市场前景广阔。
附图说明
图1为采用实施例1所合成的柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合材料的XPS谱图（纸片大小为3cm*3cm）；
图2a 和b为采用实施例1所合成的柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合材料的数码照片（纸片大小为3cm*3cm）；图2c和d为采用实施例4所成的柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合材料的柔性展示数码照片（纸片大小为2cm*2cm）。
图3a为普通打印纸的场发射扫描电镜图片（纸片大小为3cm*3cm）；图3b 为采用实施例1所合成的PPy/纸纳米复合材料的场发射扫描电镜图片（纸片大小为3cm*3cm）；图3c为采用实施例1所合成的柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合材料的场发射扫描电镜图片（纸片大小为3cm*3cm）。
图4a、b和c为采用实施例1所合成的柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合材料的电导率、Seebeck系数和功率因子（S²σ）（纸片大小为3cm*3cm）。
具体实施方式
实施例1
纸片大小为3cm*3cm的柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料的制备方法
（1）配料：将打印纸剪切成3cm*3cm大小后浸入在含0.55ml吡咯单体（Py）溶于100ml的去离子水所形成的溶液中，以300转/分钟的速率进行搅拌；当纸吸附Py充分后，将8.65gFeCl3·6H2O溶于100ml的去离子水所形成的溶液滴加到上述溶液中，保持300转/分钟速率继续搅拌反应8h；
（2）洗涤、干燥：反应结束后，将PPy/纸复合材料转移到烧杯中，加入去离子反复清洗3次，然后用无水乙醇再反复清洗3次；然后将清洗好的PPy/纸复合材料放入干燥箱，60°C干燥12h；
（3）HCl掺杂处理：将PPy/纸复合材料浸入在1mol/LHCl溶液中12h进行掺杂处理；
（4）干燥：将HCl溶液处理后PPy/纸复合材料放入干燥箱，60°C干燥12h；
（5）PEDOT:PSS溶液处理：将HCl溶液处理后PPy/纸复合材料，浸入含DMSO的质量分数为5%的DMSO/PEDOT:PSS溶液中0.5h；
（6）干燥：将PEDOT:PSS溶液处理后PPy/纸复合材料放入干燥箱，130°C干燥0.2h，制备成柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料。
图1为采用实施例1所合成的柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合材料的XPS谱图，XPS结果显示PPy和PEDOT:PSS已经成功的覆盖到了纸的表面；图2a 和b为采用实施例1所合成的柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合材料的数码照片，所合成的PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料具柔韧性好、可弯折等特点；图3a为普通打印纸的场发射扫描电镜图片；图3b 为采用实施例1所合成的PPy/纸纳米复合材料的场发射扫描电镜图片，扫描电镜照片显示纸张的表面被PPy包覆；图3c 为采用实施例1所合成的柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合材料的场发射扫描电镜图片，扫描电镜照片显示PPy/纸纳米复合材料的表面被PEDOT:PSS所均匀覆盖；图4a、b和c为采用采用实施例1所合成的柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合材料的电导率、Seebeck系数和功率因子（S²σ）。在测试温度300K至370K范围内，PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合材料的电导率和Seebeck系数随着测试温度的升高而增大，因此复合材料的功率因子也随着温度的升高而增大。
实施例2
纸片大小为0.5cm*0.5cm的PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料的制备方法
（1）配料：将打印纸剪切成0.5cm*0.5cm大小后加入到含0.1ml吡咯单体（Py）溶于99.9ml的去离子水所形成的溶液中，以100转/分钟的速率进行搅拌；当纸表面吸附Py充分后，将3gFeCl3·6H2O溶于100ml的去离子水所形成的溶液滴加到上述溶液中，保持100转/分钟速率继续搅拌反应4h；
（2）洗涤、干燥：反应结束后，将PPy/纸复合材料转移到烧杯中，加入去离子反复清洗3次，然后用无水乙醇再反复清洗3次；然后将清洗好的PPy/纸复合材料放入干燥箱，70°C干燥6h；
（3）HCl掺杂处理：将PPy/纸复合材料浸入在0.1mol/LHCl溶液中2h进行掺杂处理；
（4）干燥：将HCl溶液处理后PPy/纸复合材料放入干燥箱，70°C干燥6h；
（5）PEDOT:PSS溶液处理：将HCl溶液处理后PPy/纸复合材料，浸入含DMSO的质量分数为2%的PEDOT:PSS溶液中0.2h；
（6）干燥：将PEDOT:PSS溶液处理后PPy/纸复合材料放入干燥箱，80°C干燥0.1h，最终形成柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料。
实施例3
纸片大小为4cm*4cm的柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料的制备方法
（1）配料：将打印纸剪切成4cm*4cm大小后加入到含1.2ml吡咯单体（Py）溶于98.8ml的去离子水所形成的溶液中，以400转/分钟的速率进行搅拌；当纸表面吸附Py充分后，将7gFeCl3·6H2O溶于100ml的去离子水所形成的溶液滴加到上述溶液中，保持400转/分钟速率继续搅拌反应24h；
（2）洗涤、干燥：反应结束后，将PPy/纸复合材料转移到烧杯中，加入去离子反复清洗3次，然后用无水乙醇再反复清洗3次；然后将清洗好的PPy/纸复合材料放入干燥箱，80°C干燥24h；
（3）HCl掺杂处理：将PPy/纸复合材料浸入在1.2mol/LHCl溶液中14h进行掺杂处理；
（4）干燥：将HCl溶液处理后PPy/纸复合材料放入干燥箱，80°C干燥24h；
（5）PEDOT:PSS溶液处理：将HCl溶液处理后PPy/纸复合材料，浸入含DMSO的质量分数为30%的PEDOT:PSS溶液中3h；
（6）干燥：将PEDOT:PSS溶液处理后PPy/纸复合材料放入干燥箱，140°C干燥2h，最终形成柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料。
实施例4
纸片大小为2cm*2cm的柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料的制备方法
（1）配料：将打印纸剪切成2cm*2cm大小后加入到含0.8ml吡咯单体（Py）溶于99.2ml的去离子水所形成的溶液中，以250转/分钟的速率进行搅拌；当纸表面吸附Py充分后，将10gFeCl3·6H2O溶于100ml的去离子水所形成的溶液滴加到上述溶液中，保持250转/分钟速率继续搅拌反应6h；
（2）洗涤、干燥：反应结束后，将PPy/纸复合材料转移到烧杯中，加入去离子反复清洗3次，然后用无水乙醇再反复清洗3次；然后将清洗好的PPy/纸复合材料放入干燥箱，65°C干燥10h；
（3）HCl掺杂处理：将PPy/纸复合材料浸入在0.8mol/LHCl溶液中10h进行掺杂处理；
（4）干燥：将HCl溶液处理后PPy/纸复合材料放入干燥箱，65°C干燥10h；
（5）PEDOT:PSS溶液处理：将HCl溶液处理后PPy/纸复合材料，浸入含DMSO的质量分数为4%的PEDOT:PSS溶液中0.4h；
（6）干燥：将PEDOT:PSS溶液处理后PPy/纸复合材料放入干燥箱，100°C干燥0.3h，最终形成柔性PPy/PEDOT:PSS/纸纳米复合热电材料。
Claims (4)
1.一种柔性纳米复合热电材料制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）将纸剪切后浸入在吡咯单体的水溶液中，在吡咯单体的水溶液中，吡咯单体的体积百分比为0.1-1.2%，以100转/分钟-400转/分钟的速率进行搅拌；
2）当纸吸附吡咯单体充分后，将FeCl3·6H2O的水溶液滴加到上述溶液中，在所述的FeCl3·6H2O的水溶液中，FeCl3·6H2O和去离子水的质量体积比为1.5-15g:100ml，FeCl3·6H2O与吡咯单体的摩尔比是1:1-8:1，保持原有搅拌速率继续搅拌反应4-24h；
3）一个洗涤的步骤，在所述的洗涤的步骤中，分别采用去离子水和无水乙醇清洗；
4）然后进行干燥，干燥温度为60-80°C，干燥时间为6-24h；
5）还包括一个采用盐酸溶液进行掺杂的步骤，在所述的采用盐酸溶液进行掺杂的步骤中，将步骤4）干燥后的PPy/纸复合材料浸入在0.1-1.2mol/L 盐酸溶液中2-14h；
6）然后再进行干燥，干燥温度为60-80°C，干燥时间为6-24h；
7）一个采用PEDOT:PSS溶液处理的步骤；将干燥后的PPy/纸复合材料浸入含DMSO的质量分数为2%-30%的PEDOT:PSS溶液中0.2-3h；
8）然后再进行干燥，干燥温度为80-140°C，干燥时间为0.1-2h，得到一种柔性纳米复合热电材料。
2.根据权利要求1所述的一种柔性纳米复合热电材料制备方法，其特征在于：所述的步骤1）中的纸为打印纸、宣纸、牛皮纸、或者传真纸中的任意一种或者两种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的一种柔性纳米复合热电材料制备方法，其特征在于：在步骤1）中，剪切后纸的大小在0.5cm*0.5cm至4cm*4cm之间。
4.根据权利要求1所述的一种柔性纳米复合热电材料制备方法，其特征在于：在步骤3）中的洗涤是指反应结束后，将PPy/纸复合材料转移到烧杯中，先用去离子水清洗3次，然后再用无水乙醇清洗3次。
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