CN110592953A - 一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法 - Google Patents

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林元城
刘聪聪
刘佩佩
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    • D06M15/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment
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    • D06M2101/40—Fibres of carbon

Abstract

本发明公开了一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，属于石墨烯纤维制备技术领域，包括以下步骤：(1)将石墨通过化学合成的方法制备成氧化石墨烯分散液；(2)将氧化石墨烯分散液通过化学还原的方法制备成石墨烯纤维；(3)将石墨烯纤维通过掺杂的方法制备成p型与n型相间的热电纤维。本发明可在没有粘合剂使用条件下，获得具有较好连续性的p型与n型相间的石墨烯热电纤维，具有较好的柔性、连续性和机械性能，利于在便携式可穿戴设备中的应用；该方法制备过程简单，不需要较高的温度，制备成本低，可根据生产、生活的实际需要来控制热电纤维的制备规模，对可穿戴带电子设备发展具有重要意义。

Description

一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯纤维制备技术领域，具体涉及一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法。
背景技术
近年来，电子产品和智能纺织品朝着可穿戴、微型化的方向发展，在此过程中，对便携式电子产品的供能系统的需求日增大。目前的供能系统主要集中在电池、发电机、超级电容器上。然而电池需要不断更换或者充电，而传统的发电机需要靠机械运动产生电能，超级电容器则存在较低的能量密集度、较高的价格以及需要反复充电的缺陷，因此这些能源供给系统不太适用于微型可穿戴电子设备。热电材料和基于其组装的可穿戴热电器件由于具备利用体温来发电的能力非常适合于便携式电子设备的能源供给，因此，利用热电材料的特性，将热电材料组装为热电器件，为便携式可穿戴电子设备的供能提供了一种良好的方式。
碳纤维是具有碳材料和纤维两大特征的一种新型碳材料，由于其具有较好的导电和导热性能、高模量、高强度、密度小、耐酸耐碱等特点，在土木建筑、航空航天、能源、通信、基础设施等领域有着广泛的应用。石墨烯是2004年发现的一种由单层碳原子组成的二维蜂窝点阵结构的新型碳材料，石墨烯中π电子可以在其特有的离域大π键中自由移动，因此石墨烯被赋予了超高的电学性能，室温下的载流子迁移率高达250000cm2/Vs。由于石墨烯纤维同时具有石墨烯独特的性质和纤维的柔韧性、连续性以及可编织等特点，将石墨烯组装成宏观的连续的石墨烯热电纤维并组装成热电器件，整合到商用织物中，进而组装能源织物是一种比较有前景的方法，对便携式电子设备的发展具有重大的意义。
然而传统的热电器件为单一的p型或者n型石墨烯纤维制备而成，目前并没有连续完整的p型与n型相间的石墨烯纤维的制备方法。p型与n型相间的连续性材料通常用焊锡，或者使用粘合剂的方式来连接，具有较差的柔性、连续性和机械性能，不利于在便携式可穿戴设备中的应用。
发明内容
本发明提供一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，可在没有粘合剂使用条件下，获得具有较好连续性的p型与n型相间的石墨烯热电纤维，并将其用于制备热电器件中，制备过程简单，满足于实际应用。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨通过化学合成的方法制备成氧化石墨烯分散液；
(2)将氧化石墨烯分散液通过化学还原的方法制备成石墨烯纤维；
(3)将石墨烯纤维通过掺杂的方法制备成p型与n型相间的热电纤维。
优选的，所述步骤(2)的具体步骤为：首先将氧化石墨烯分散液与还原剂充分混合得到分散液，然后将分散液转移到聚四氟乙烯管中，置于烘箱内反应。
优选的，所述步骤(3)的具体步骤为：将步骤(2)所得的石墨烯纤维干燥后卷在泡沫上，一半浸泡在掺杂剂溶液中，浸泡一段时间后干燥，得到p型与n型相间的热电纤维。
优选的，所述步骤(1)中的化学合成方法为修饰的Hummers法。
优选的，所述步骤(1)中石墨的粒度为200目。
优选的，所述步骤(1)中氧化石墨烯分散液的浓度为6mg/ml。
优选的，所述还原剂为维生素C，所述维生素C的用量为每2ml氧化石墨烯分散液30-60mg维生素C。
优选的，所述烘箱内反应的温度为60-100℃。
优选的，所述掺杂剂溶液为聚乙烯亚胺水溶液、聚乙氧基乙烯亚胺水溶液中的任意一种或两种，所述掺杂剂溶液的浓度为20mg/ml。
采用上述所述的一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法制备而成的p型与n型相间的石墨烯热电纤维也属于本发明的保护范围。
采用上述所述的p型与n型相间的石墨烯热电纤维编织而成的热电器件也属于本发明的保护范围。
本发明的有益技术效果为：可在没有粘合剂使用条件下，获得具有较好连续性的p型与n型相间的石墨烯热电纤维，具有较好的柔性、连续性和机械性能，利于在便携式可穿戴设备中的应用；该方法制备过程简单，不需要较高的温度，制备成本低，可根据生产、生活的实际需要来控制热电纤维的制备规模，对可穿戴带电子设备发展具有重要意义。
附图说明
图1为p型、n型以及p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备流程示意图；
图2为p型、n型以及p型与n型相间的石墨烯热电纤维的照片示意图；
图3为p型、n型以及p型与n型相间的石墨烯热电纤维的热电性能图；
图4为本发明p型与n型相间的石墨烯热电纤维的热电器件图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨通过修饰的Hummers法制备成氧化石墨烯分散液，其中，石墨的粒度为200目，得到的氧化石墨烯分散液的浓度为6mg/ml；
(2)取上述2ml氧化石墨烯分散液于洁净试剂瓶中，加入0.03g维生素C与其混合，充分振荡，将试剂瓶放入超声仪中超声10min，使溶液分散均匀，然后将分散液转移到聚四氟乙烯管中，置于烘箱内在60℃条件下反应1h得到石墨烯纤维；
(3)将步骤(2)所得的石墨烯纤维在室温下干燥30min，然后卷在泡沫上，一半浸泡在掺杂剂溶液聚乙烯亚胺水溶液中，掺杂剂溶液的浓度为20mg/ml，浸泡2h，得到p型与n型相间的热电纤维。
对照例1
p型石墨烯热电纤维制备方法：在经过上述实施例1的步骤(1)、步骤(2)后，将步骤(2)得到石墨烯纤维取出后干燥得到p型石墨烯热电纤维；
n型石墨烯热电纤维制备方法：通过将上述p型石墨烯热电纤维浸没在掺杂剂溶液聚乙烯亚胺水溶液中，掺杂剂溶液的浓度为20mg/ml，浸泡2h，得到n型石墨烯热电纤维。
图2为对照例1、实施例1所得的p型、n型以及p型与n型相间的石墨烯热电纤维的照片示意图。
图3为对照例1、实施例1所得的p型、n型以及p型与n型相间的石墨烯热电纤维的热电性能图。从图中可看出，三种纤维的seebeck系数相差不大，n型纤维和p型与n型相间的纤维电导率较低，因此p型纤维的热电性能最好，n型纤维和p型与n型相间的纤维的热电性能相近，均低于p型纤维。
将实施例1所得的p型与n型相间的石墨烯热电纤维编织而成得到热电器件，如图4所示。
实施例2
一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨通过修饰的Hummers法制备成氧化石墨烯分散液，其中，石墨的粒度为200目，得到的氧化石墨烯分散液的浓度为6mg/ml；
(2)取上述2ml氧化石墨烯分散液于洁净试剂瓶中，加入0.06g维生素C与其混合，充分振荡，将试剂瓶放入超声仪中超声10min，使溶液分散均匀，然后将分散液转移到聚四氟乙烯管中，置于烘箱内在80℃条件下反应2h得到石墨烯纤维；
(3)将步骤(2)所得的石墨烯纤维在室温下干燥30min，然后卷在泡沫上，一半浸泡在掺杂剂溶液聚乙氧基乙烯亚胺水溶液中，掺杂剂溶液的浓度为20mg/ml，浸泡2h，得到p型与n型相间的热电纤维。
采用上述p型与n型相间的石墨烯热电纤维编织而成得到热电器件。
实施例3
一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨通过修饰的Hummers法制备成氧化石墨烯分散液，其中，石墨的粒度为200目，得到的氧化石墨烯分散液的浓度为6mg/ml；
(2)取上述2ml氧化石墨烯分散液于洁净试剂瓶中，加入0.04g维生素C与其混合，充分振荡，将试剂瓶放入超声仪中超声10min，使溶液分散均匀，然后将分散液转移到聚四氟乙烯管中，置于烘箱内在80℃条件下反应1h得到石墨烯纤维；
(3)将步骤(2)所得的石墨烯纤维在室温下干燥30min，然后卷在泡沫上，一半浸泡在掺杂剂溶液中，掺杂剂溶液为聚乙烯亚胺水溶液与聚乙氧基乙烯亚胺水溶液交替使用，掺杂剂溶液的浓度为20mg/ml，浸泡2h，得到p型与n型相间的热电纤维。
采用上述p型与n型相间的石墨烯热电纤维编织而成得到热电器件。
实施例4
一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨通过修饰的Hummers法制备成氧化石墨烯分散液，其中，石墨的粒度为200目，得到的氧化石墨烯分散液的浓度为6mg/ml；
(2)取上述2ml氧化石墨烯分散液于洁净试剂瓶中，加入0.03g维生素C与其混合，充分振荡，将试剂瓶放入超声仪中超声10min，使溶液分散均匀，然后将分散液转移到聚四氟乙烯管中，置于烘箱内在100℃条件下反应1h得到石墨烯纤维；
(3)将步骤(2)所得的石墨烯纤维在室温下干燥30min，然后卷在泡沫上，一半浸泡在掺杂剂溶液聚乙烯亚胺水溶液中，掺杂剂溶液的浓度为20mg/ml，浸泡2h，得到p型与n型相间的热电纤维。
采用上述p型与n型相间的石墨烯热电纤维编织而成得到热电器件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将石墨通过化学合成的方法制备成氧化石墨烯分散液；
(2)将氧化石墨烯分散液通过化学还原的方法制备成石墨烯纤维；
(3)将石墨烯纤维通过掺杂的方法制备成p型与n型相间的热电纤维。
2.根据权利要求1所述的一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤为：首先将氧化石墨烯分散液与还原剂充分混合得到分散液，然后将分散液转移到聚四氟乙烯管中，置于烘箱内反应。
3.根据权利要求1所述的一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体步骤为：将步骤(2)所得的石墨烯纤维干燥后卷在泡沫上，一半浸泡在掺杂剂溶液中，浸泡一段时间后干燥，得到p型与n型相间的热电纤维。
4.根据权利要求1所述的一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的化学合成方法为修饰的Hummers法。
5.根据权利要求1所述的一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中石墨的粒度为200目。
6.根据权利要求1所述的一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中氧化石墨烯分散液的浓度为6mg/ml。
7.根据权利要求2所述的一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，其特征在于，所述还原剂为维生素C，所述维生素C的用量为每2ml氧化石墨烯分散液30-60mg维生素C。
8.根据权利要求2所述的一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，其特征在于，所述烘箱内反应的温度为80℃。
9.根据权利要求3所述的一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法，其特征在于，所述掺杂剂溶液为聚乙烯亚胺水溶液、聚乙氧基乙烯亚胺水溶液中的任意一种或两种，所述掺杂剂溶液的浓度为20mg/ml。
10.一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维，采用上述权利要求1-9任一所述的一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维的制备方法制备而成。
11.一种热电器件，采用上述权利要求10所述的一种p型与n型相间的石墨烯热电纤维编织而成。
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