CN110911544A - 一种轻质柔性纸基1t相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源热电转换材料技术领域,具体涉及一种以常见纤维素纸为基底的轻质柔性、高热电转换效率的复合热电材料及其制备方法。本发明利用表面活性剂分散的碳纳米管作为分子模板,通过简洁高效的水热合成法,在碳纳米管表面生长具有类金属性的1T相二硫化钨纳米片,得到1T相二硫化钨纳米片/碳纳米管复合粉体。通过利用常见的吸水性强的纤维素纸为基底材料,结合辊压机延压和化学掺杂的方法,得到一类新型的纤维素纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。本发明制备的复合热电材料在保留了纤维素纸柔韧性的同时,结合复合材料各组分的特性,获得了优异的热电性能,为新能源领域高性能热电材料的发展和应用开拓新的思路和方向。
Description
技术领域
本发明属于新能源热电转换材料技术领域,涉及一种以常见纤维素纸为基底的具有柔性且轻质、高热电转换效率的复合热电材料及其制备方法。
背景技术
在当前世界范围内能源危机和环境保护形势日益严峻的背景下,寻找清洁安全的新能源,提高现有能源的使用效率已经受到人们广泛的关注。热电发电机是利用材料的热电效应,通常以废热或者太阳能作为热源进行发电的技术。与传统发电技术相比,具有无污染、无噪音、无磨损、体积小、反应快、可靠性高以及寿命长等优点。热电材料是热电发电机实现热能与电能之间相互转换的核心关键材料。利用热电材料为载体,将废热以及太阳能有效地利用起来,对于缓解能源危机和环境保护具有重要的意义。热电材料作为热电发电机的核心部分,其性能的好坏直接决定热电器件的优劣。热电优值ZT值是衡量热电材料性能最重要的参数:ZT=S2σT/κ,其中S为塞贝克系数,σ为电导率,κ为热导率,T为绝对温度。ZT值越高,材料的热电性能越好,热电转换效率越高。
热电发电机的基本单元是由一个P型和N型两种热电材料经金属电极串联而成的热电偶。传统的热电发电器件由于受到硬质散热片基底的限制,仅能应用在平整表面,因此应用范围受到极大的限制。随着热电发电技术的不断发展,柔性热电薄膜器件因成本低、抗弯折。耐用性强、适用范围广等特点受到越来越多的关注。因此,开发用于满足制备柔性热电薄膜器件的P型以及N型柔性热电材料具有重要的理论和应用价值,是拓展热电发电的使用领域和提高能源利用效率的有效方法。
二硫化钨是典型的二维层状过渡金属硫化物,由于具有一系列优异的物理化学性质而成为研究的热点。根据单层二硫化钨中钨原子排列方式的不同,二硫化钨晶体分为2H相(钨原子为三角棱柱配位,又称为半导体型)和1T相(钨原子为八面体配位,又称为金属型)。其中2H相二硫化钨在常温下导电率极低,不利于ZT值的提高,因此不适用做热电材料。而1T相二硫化钨由于具有较高的导电率,可以视为未来新型的热电材料。另一方面,碳纳米管由于具有长距离电荷传输特点而作为高导电无机填充材料。同时,碳纳米管的电子态密度具有范霍夫奇点特性而使其费米能级易于调控。碳纳米管巨大的比表面积以及成膜后的多孔性,可以使得化学掺杂剂有效的吸附在薄膜表面,形成电荷转移复合物。通过费米能级的移动和电子态密度的改变,可以从宏观上改变复合材料的热电性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料及其制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1〕将碳纳米管粉体加入到浓度为0.5~2%的分散剂水溶液中,分散后得到稳定分散的碳纳米管水分散液;其中:碳纳米管粉体与分散剂水溶液的重量(mg)与体积(mL)比为(1~4)∶4;
将偏钨酸铵水合物和硫脲溶解在水中溶解,再加入草酸二水合物,剧烈搅拌至全部溶解;其中:偏钨酸铵水合物的质量(g)、硫脲的质量(g)、水的体积(mL)和草酸二水合物(g)的质量之比为:(4~15)∶(4~15)∶300∶(14~56)
2〕将步骤1〕制得的分散液和水溶液按照(1~5)∶75体积比混合后,置于反应器中,200℃~240℃反应24~48小时;反应结束并冷却后,分离出1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体;
3〕将步骤2〕得到的1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体加入到十二烷基苯磺酸钠水溶液中,分散后得到稳定分散的1T相二硫化钨/碳纳米管分散液;其中,二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体与十二烷基苯磺酸钠水溶液的质量体积比为(1~4)∶200,十二烷基苯磺酸钠水溶液的浓度为0.5~2%;
4〕将具有吸水性的纤维素纸浸入1T相二硫化钨/碳纳米管分散液,取出后干燥;
5〕将干燥后的吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸浸入水中,取出后再次干燥;
6〕将经过步骤4~5处理的纤维素纸展平,得到P型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料;
7〕将富含氮原子的N型化学掺杂剂溶解后,配制成5~20%的溶液;
将步骤6〕中制备的P型1T相二硫化钨/碳纳米管纤维素纸浸入上述溶液中,取出后放入烘干以去除溶剂,从而得到N型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。
值得说明的是,上述方法以常见的吸水性强的纤维素纸为基底材料,采用简单高效的水热法制备1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料,并结合辊压机延压和化学掺杂的方法,得到一类新型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。上述方法工艺简单,成本低廉,可重复性强,可以获得具有轻质柔性且高性能的热电材料,为新能源领域高性能热电材料的发展和应用开拓新的思路和方向。
进一步,步骤1〕中,采用超声波细胞破碎仪进行超声分散;超声波细胞破碎仪功率为1000~20000W;
所述碳纳米管为单壁碳纳米管或者多壁碳纳米管,其中单壁碳纳米管直径0.5~2nm,长度为5~20μm;多壁碳纳米管直径2~20nm,长度为10~30μm;
所选用分散剂包括阴离子型表面活性剂十二烷基苯磺酸钠,阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵,非离子型表面活性剂曲拉通X-100。
进一步,步骤1〕中,所采用试剂均为分析纯,实验用水为电阻不小于10Ωm的一级纯水。
进一步,步骤2〕中,溶液混合后,在室温下搅拌15~30分钟,然后转移到内衬为聚四氟乙烯材质的反应釜中进行反应;
反应结束后,将反应釜自然冷却至室温,将得到的黑色沉淀物经过离心,水洗,乙醇洗,整个过程一共重复3~5次,最后在真空烘箱60~80℃干燥5~8小时,得到1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体;
进一步,步骤3〕中,采用超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的黑色的1T相二硫化钨/碳纳米管分散液;
进一步,步骤4〕中,将一张吸水性强的纤维素纸浸入二硫化钨/碳纳米管分散液10~30分钟,取出后放入烘箱中在60~80℃下干燥。
进一步,步骤5〕中,将吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸浸入纯水中10~30分钟以除去分散剂十二烷基苯磺酸钠,并放入烘箱中在60~80℃下干燥。
进一步,步骤4〕~5〕重复3~7次。
进一步,步骤6〕中,将充分吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸利用辊压机进行辊压延展1~3次,使褶皱的纤维素纸平展,同时减小纤维素纸的厚度,从而得到P型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。
进一步,步骤7〕中,N型化学掺杂剂选自聚乙烯亚胺、四甲基对苯二胺或者聚乙烯吡咯烷酮;对应的溶剂分别为纯水、乙腈和N-甲基吡咯烷酮;P型1T相二硫化钨/碳纳米管纤维素纸浸入上述溶液中30~120分钟,取出后放入烘箱中在60~80℃去除溶剂,从而得到N型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。
本发明以表面活性剂分散的碳纳米管作为分子模板,通过简洁高效的水热合成法,在碳纳米管表面生长具有类金属性的1T相二硫化钨纳米片,得到1T相二硫化钨纳米片/碳纳米管复合粉体。将1T相二硫化钨纳米片与碳纳米管进行复合,一方面可以通过二维的二硫化钨纳米片与一维的碳纳米管形成更多有效的三维网络导电通路,提高复合材料的导电性;另一方面,由于二硫化钨纳米片的低维限域结构,有效提高费米能级附近的状态密度,从而提高了载流子的有效质量,并使得塞贝克系数增大。此外,通过将1T相二硫化钨纳米片/碳纳米管复合粉体溶液化,以具有强吸水性的纤维素纸为基底材料,使其在纤维素表面吸附1T相二硫化钨纳米片/碳纳米管,可以获得具有自支撑结构的柔性复合薄膜材料。同时,将1T相二硫化钨纳米片/碳纳米管吸附在纤维素纸上,有利于产生多层界面声子散射位点,可以有效降低材料的热导率。而采用辊压机对纸基材料进行辊压延展,可以有效降低纤维素纸的厚度,并大大提高界面相互作用,有效提高材料的热电优值。
本发明以常见广泛的纤维素纸作为基底材料,在其表面吸附具有一维和二维结构的低维纳米复合材料,在获得了新型的具有高热电优值的热电材料的同时,材料保留了纤维素纸的柔韧性,可以有效解决材料工作受冷热冲击造成的应力问题。该方法制备工艺简单,操作方便,可重复性强,生产成本低廉,对生产设备和生产条件要求低,具有广阔的市场应用前景,易于推广和应用。
附图说明
图1:本发明所选用的纤维素纸的扫描电镜照片;插图为纤维素纸的实物数码照片;
图2:实施例1所制备的纤维素纸基1T相二硫化钨纳米片/碳纳米管复合材料的扫描电镜照片;
图3:实施例1所制备的纤维素纸基1T相二硫化钨纳米片/碳纳米管复合材料辊压延展后的扫描电镜照片;
图4:实施例1所制备的纤维素纸基1T相二硫化钨纳米片/碳纳米管复合材料辊压延展后的实物数码照片;
图5:实施例1所制备的纤维素纸基1T相二硫化钨纳米片/碳纳米管复合材料浸润不同次数的电导率测试;
图6:实施例1所制备的纤维素纸基1T相二硫化钨纳米片/碳纳米管复合材料辊压延展不同次数的电导率测试;
图7:实施例1所制备的纤维素纸基1T相二硫化钨纳米片/碳纳米管复合材料辊压延展不同次数的塞贝克系数测试。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明,但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段,做出各种替换和变更,均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1:
一种轻质柔性纤维素纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将15mg单壁碳纳米管粉体加入到30ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的碳纳米管水分散液;
将偏钨酸铵水合物0.8g,硫脲0.8g溶解在30ml水中,在室温下通过磁力搅拌至全部溶解,再加入0.28g草酸二水合物剧烈搅拌至全部溶解;
(2)将上述两种溶液溶液混合,在室温下搅拌15分钟,然后转移到100ml内衬为聚四氟乙烯材质的反应釜中,并在220℃反应24小时;反应结束后将反应釜自然冷却至室温,将得到的黑色沉淀物经过离心,水洗,乙醇洗,整个过程一共重复3次,最后在真空烘箱80℃干燥5小时,得到1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体;
(3)将步骤(2)中得到的1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体1g加入到100ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的黑色的1T相二硫化钨/碳纳米管分散液;
(4)将一张吸水性强的纤维素纸浸入步骤(3)中得到的二硫化钨/碳纳米管分散液10分钟,取出后放入烘箱中在60℃下干燥;
(5)将吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸浸入纯水中10分钟以除去分散剂十二烷基苯磺酸钠,并放入烘箱中在60℃下干燥。为了在纤维素纸上吸附更多的1T相二硫化钨/碳纳米管
步骤4~5重复5次。
(6)将步骤(5)中得到的充分吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸利用辊压机进行辊压延展3次,使褶皱的纤维素纸平展,同时减小纤维素纸的厚度,从而得到P型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料;
(7)将聚乙烯亚胺溶解在纯水中,配制成10%的溶液;将步骤(6)中制备的P型1T相二硫化钨/碳纳米管纤维素纸浸入上述溶液中30分钟,取出后放入烘箱中在60℃下去除溶剂,从而得到N型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。
将纸基热电材料裁剪成5×3cm的矩形进行热电性能测试。该材料的电导率为5467S/m,塞贝克系数为60μV/K,功率因子为19.7μW/mK;化学掺杂后材料的电导率为2242S/m,塞贝克系数为-40μV/K,功率因子为3.6μW/mK。
实施例2:
一种轻质柔性纤维素纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将15mg单壁碳纳米管粉体加入到30ml十六烷基三甲基溴化铵水溶液(浓度为0.5%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的碳纳米管水分散液;
将偏钨酸铵水合物0.8g,硫脲0.8g溶解在30ml水中,在室温下通过磁力搅拌至全部溶解,再加入0.28g草酸二水合物剧烈搅拌至全部溶解;
(2)将上述两种溶液溶液混合,在室温下搅拌15分钟,然后转移到100ml内衬为聚四氟乙烯材质的反应釜中,并在220℃反应24小时;反应结束后将反应釜自然冷却至室温,将得到的黑色沉淀物经过离心,水洗,乙醇洗,整个过程一共重复3次,最后在真空烘箱80℃干燥5小时,得到1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体;
(3)将步骤(2)中得到的1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体1g加入到100ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为0.5%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的黑色的1T相二硫化钨/碳纳米管分散液;
(4)将一张吸水性强的纤维素纸浸入步骤(3)中得到的二硫化钨/碳纳米管分散液10分钟,取出后放入烘箱中在60℃下干燥;
(5)将吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸浸入纯水中10分钟以除去分散剂十二烷基苯磺酸钠,并放入烘箱中在60℃下干燥。为了在纤维素纸上吸附更多的1T相二硫化钨/碳纳米管。
步骤4~5重复5次。
(6)将步骤(5)中得到的充分吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸利用辊压机进行辊压延展3次,使褶皱的纤维素纸平展,同时减小纤维素纸的厚度,从而得到P型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料;
(7)将聚乙烯亚胺溶解在纯水中,配制成10%的溶液;将步骤(6)中制备的P型1T相二硫化钨/碳纳米管纤维素纸浸入上述溶液中30分钟,取出后放入烘箱中在60℃下去除溶剂,从而得到N型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。
将纸基热电材料裁剪成5×3cm的矩形进行热电性能测试。该材料的电导率为5344S/m,塞贝克系数为59μV/K,功率因子为18.6μW/mK;化学掺杂后材料的电导率为2189S/m,塞贝克系数为-40μV/K,功率因子为3.5μW/mK。
实施例3:
一种轻质柔性纤维素纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将15mg单壁碳纳米管粉体加入到30ml曲拉通X-100水溶液(浓度为2%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的碳纳米管水分散液;
将偏钨酸铵水合物0.8g,硫脲0.8g溶解在30ml水中,在室温下通过磁力搅拌至全部溶解,再加入0.28g草酸二水合物剧烈搅拌至全部溶解;
(2)将上述两种溶液溶液混合,在室温下搅拌15分钟,然后转移到100ml内衬为聚四氟乙烯材质的反应釜中,并在220℃反应24小时;反应结束后将反应釜自然冷却至室温,将得到的黑色沉淀物经过离心,水洗,乙醇洗,整个过程一共重复3次,最后在真空烘箱80℃干燥5小时,得到1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体;
(3)将步骤(2)中得到的1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体1g加入到100ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为2%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的黑色的1T相二硫化钨/碳纳米管分散液;
(4)将一张吸水性强的纤维素纸浸入步骤(3)中得到的二硫化钨/碳纳米管分散液10分钟,取出后放入烘箱中在60℃下干燥;
(5)将吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸浸入纯水中10分钟以除去分散剂十二烷基苯磺酸钠,并放入烘箱中在60℃下干燥。为了在纤维素纸上吸附更多的1T相二硫化钨/碳纳米管。
步骤4~5重复3次。
(6)将步骤(5)中得到的充分吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸利用辊压机进行辊压延展3次,使褶皱的纤维素纸平展,同时减小纤维素纸的厚度,从而得到P型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料;
(7)将聚乙烯亚胺溶解在纯水中,配制成10%的溶液;将步骤(6)中制备的P型1T相二硫化钨/碳纳米管纤维素纸浸入上述溶液中30分钟,取出后放入烘箱中在60℃下去除溶剂,从而得到N型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。
将纸基热电材料裁剪成5×3cm的矩形进行热电性能测试。该材料的电导率为5433S/m,塞贝克系数为59μV/K,功率因子为18.9μW/mK;化学掺杂后材料的电导率为2155S/m,塞贝克系数为-39μV/K,功率因子为3.3μW/mK。
实施例4:
一种轻质柔性纤维素纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将7.5mg单壁碳纳米管粉体加入到30ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的碳纳米管水分散液;
将偏钨酸铵水合物0.4g,硫脲0.4g溶解在30ml水中,在室温下通过磁力搅拌至全部溶解,再加入0.14g草酸二水合物剧烈搅拌至全部溶解;
(2)将上述两种溶液溶液混合,在室温下搅拌15分钟,然后转移到100ml内衬为聚四氟乙烯材质的反应釜中,并在220℃反应48小时;反应结束后将反应釜自然冷却至室温,将得到的黑色沉淀物经过离心,水洗,乙醇洗,整个过程一共重复3次,最后在真空烘箱80℃干燥5小时,得到1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体;
(3)将步骤(2)中得到的1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体1g加入到100ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的黑色的1T相二硫化钨/碳纳米管分散液;
(4)将一张吸水性强的纤维素纸浸入步骤(3)中得到的二硫化钨/碳纳米管分散液10分钟,取出后放入烘箱中在60℃下干燥。
(5)将吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸浸入纯水中10分钟以除去分散剂十二烷基苯磺酸钠,并放入烘箱中在60℃下干燥。为了在纤维素纸上吸附更多的1T相二硫化钨/碳纳米管。
步骤4~5重复7次。
(6)将步骤(5)中得到的充分吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸利用辊压机进行辊压延展3次,使褶皱的纤维素纸平展,同时减小纤维素纸的厚度,从而得到P型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料;
(7)将聚乙烯亚胺溶解在纯水中,配制成10%的溶液;将步骤(6)中制备的P型1T相二硫化钨/碳纳米管纤维素纸浸入上述溶液中30分钟,取出后放入烘箱中在60℃下去除溶剂,从而得到N型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。
将纸基热电材料裁剪成5×3cm的矩形进行热电性能测试。该材料的电导率为5248S/m,塞贝克系数为61μV/K,功率因子为19.5μW/mK;化学掺杂后材料的电导率为2166S/m,塞贝克系数为-41μV/K,功率因子为3.6μW/mK。
实施例5:
一种轻质柔性纤维素纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将30mg单壁碳纳米管粉体加入到30ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的碳纳米管水分散液;
将偏钨酸铵水合物1.5g,硫脲1.5g溶解在30ml水中,在室温下通过磁力搅拌至全部溶解,再加入0.56g草酸二水合物剧烈搅拌至全部溶解;
(2)将上述两种溶液溶液混合,在室温下搅拌15分钟,然后转移到100ml内衬为聚四氟乙烯材质的反应釜中,并在220℃反应24小时;反应结束后将反应釜自然冷却至室温,将得到的黑色沉淀物经过离心,水洗,乙醇洗,整个过程一共重复3次,最后在真空烘箱80℃干燥5小时,得到1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体;
(3)将步骤(2)中得到的1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体1g加入到100ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的黑色的1T相二硫化钨/碳纳米管分散液;
(4)将一张吸水性强的纤维素纸浸入步骤(3)中得到的二硫化钨/碳纳米管分散液10分钟,取出后放入烘箱中在60℃下干燥。
(5)将吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸浸入纯水中10分钟以除去分散剂十二烷基苯磺酸钠,并放入烘箱中在60℃下干燥。为了在纤维素纸上吸附更多的1T相二硫化钨/碳纳米管。
步骤4~5重复3次。
(6)将步骤(5)中得到的充分吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸利用辊压机进行辊压延展3次,使褶皱的纤维素纸平展,同时减小纤维素纸的厚度,从而得到P型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料;
(7)将聚乙烯亚胺溶解在纯水中,配制成10%的溶液;将步骤(6)中制备的P型1T相二硫化钨/碳纳米管纤维素纸浸入上述溶液中30分钟,取出后放入烘箱中在60℃下去除溶剂,从而得到N型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。
将纸基热电材料裁剪成5×3cm的矩形进行热电性能测试。该材料的电导率为5537S/m,塞贝克系数为58μV/K,功率因子为18.6μW/mK;化学掺杂后材料的电导率为2317S/m,塞贝克系数为-39μV/K,功率因子为3.5μW/mK。
实施例6:
一种轻质柔性纤维素纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将15mg单壁碳纳米管粉体加入到30ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的碳纳米管水分散液;
将偏钨酸铵水合物0.8g,硫脲0.8g溶解在30ml水中,在室温下通过磁力搅拌至全部溶解,再加入0.28g草酸二水合物剧烈搅拌至全部溶解;
(2)将上述两种溶液溶液混合,在室温下搅拌15分钟,然后转移到100ml内衬为聚四氟乙烯材质的反应釜中,并在220℃反应24小时;反应结束后将反应釜自然冷却至室温,将得到的黑色沉淀物经过离心,水洗,乙醇洗,整个过程一共重复3次,最后在真空烘箱80℃干燥5小时,得到1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体;
(3)将步骤(2)中得到的1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体1g加入到100ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的黑色的1T相二硫化钨/碳纳米管分散液;
(4)将一张吸水性强的纤维素纸浸入步骤(3)中得到的二硫化钨/碳纳米管分散液10分钟,取出后放入烘箱中在60℃下干燥。
(5)将吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸浸入纯水中10分钟以除去分散剂十二烷基苯磺酸钠,并放入烘箱中在60℃下干燥。为了在纤维素纸上吸附更多的1T相二硫化钨/碳纳米管。
步骤4~5重复5次。
(6)将步骤(5)中得到的充分吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸利用辊压机进行辊压延展3次,使褶皱的纤维素纸平展,同时减小纤维素纸的厚度,从而得到P型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料;
(7)将四甲基对苯二胺溶解在乙腈中,配制成10%的溶液;将步骤(6)中制备的P型1T相二硫化钨/碳纳米管纤维素纸浸入上述溶液中60分钟,取出后放入烘箱中在60℃下去除溶剂,从而得到N型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。
将纸基热电材料裁剪成5×3cm的矩形进行热电性能测试。该材料的电导率为5467S/m,塞贝克系数为60μV/K,功率因子为19.7μW/mK;化学掺杂后材料的电导率为2144S/m,塞贝克系数为-41μV/K,功率因子为3.6μW/mK。
实施例7:
一种轻质柔性纤维素纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将15mg单壁碳纳米管粉体加入到30ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的碳纳米管水分散液;
将偏钨酸铵水合物0.8g,硫脲0.8g溶解在30ml水中,在室温下通过磁力搅拌至全部溶解,再加入0.28g草酸二水合物剧烈搅拌至全部溶解;
(2)将上述两种溶液溶液混合,在室温下搅拌15分钟,然后转移到100ml内衬为聚四氟乙烯材质的反应釜中,并在220℃反应24小时;反应结束后将反应釜自然冷却至室温,将得到的黑色沉淀物经过离心,水洗,乙醇洗,整个过程一共重复3次,最后在真空烘箱80℃干燥5小时,得到1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体;
(3)将步骤(2)中得到的1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体1g加入到100ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的黑色的1T相二硫化钨/碳纳米管分散液;
(4)将一张吸水性强的纤维素纸浸入步骤(3)中得到的二硫化钨/碳纳米管分散液10分钟,取出后放入烘箱中在60℃下干燥。
(5)将吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸浸入纯水中10分钟以除去分散剂十二烷基苯磺酸钠,并放入烘箱中在60℃下干燥。为了在纤维素纸上吸附更多的1T相二硫化钨/碳纳米管。
步骤4~5重复5次。
(6)将步骤(5)中得到的充分吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸利用辊压机进行辊压延展3次,使褶皱的纤维素纸平展,同时减小纤维素纸的厚度,从而得到P型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料;
(7)将聚乙烯吡咯烷酮溶解在N-甲基吡咯烷酮中,配制成10%的溶液;将步骤(6)中制备的P型1T相二硫化钨/碳纳米管纤维素纸浸入上述溶液中90分钟,取出后放入烘箱中在60℃下去除溶剂,从而得到N型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。
将纸基热电材料裁剪成5×3cm的矩形进行热电性能测试。该材料的电导率为5467S/m,塞贝克系数为60μV/K,功率因子为19.7μW/mK;化学掺杂后材料的电导率为2278S/m,塞贝克系数为-38μV/K,功率因子为3.3μW/mK。
实施例8:
一种轻质柔性纤维素纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将15mg多壁碳纳米管粉体加入到30ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的碳纳米管水分散液;
将偏钨酸铵水合物0.8g,硫脲0.8g溶解在30ml水中,在室温下通过磁力搅拌至全部溶解,再加入0.28g草酸二水合物剧烈搅拌至全部溶解;
(2)将上述两种溶液溶液混合,在室温下搅拌15分钟,然后转移到100ml内衬为聚四氟乙烯材质的反应釜中,并在220℃反应24小时;反应结束后将反应釜自然冷却至室温,将得到的黑色沉淀物经过离心,水洗,乙醇洗,整个过程一共重复3次,最后在真空烘箱80℃干燥5小时,得到1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体;
(3)将步骤(2)中得到的1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体1g加入到100ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的黑色的1T相二硫化钨/碳纳米管分散液;
(4)将一张吸水性强的纤维素纸浸入步骤(3)中得到的二硫化钨/碳纳米管分散液10分钟,取出后放入烘箱中在60℃下干燥。
(5)将吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸浸入纯水中10分钟以除去分散剂十二烷基苯磺酸钠,并放入烘箱中在60℃下干燥。为了在纤维素纸上吸附更多的1T相二硫化钨/碳纳米管。
步骤4~5重复3次。
(6)将步骤(5)中得到的充分吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸利用辊压机进行辊压延展3次,使褶皱的纤维素纸平展,同时减小纤维素纸的厚度,从而得到P型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料;
(7)将聚乙烯亚胺溶解在纯水中,配制成10%的溶液;将步骤(6)中制备的P型1T相二硫化钨/碳纳米管纤维素纸浸入上述溶液中60分钟,取出后放入烘箱中在60℃下去除溶剂,从而得到N型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。
将纸基热电材料裁剪成5×3cm的矩形进行热电性能测试。该材料的电导率为5625S/m,塞贝克系数为57μV/K,功率因子为18.3μW/mK;化学掺杂后材料的电导率为2414S/m,塞贝克系数为-38μV/K,功率因子为3.5μW/mK。
实施例9:
一种轻质柔性纤维素纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将15mg多壁碳纳米管粉体加入到30ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的碳纳米管水分散液;
将偏钨酸铵水合物0.8g,硫脲0.8g溶解在30ml水中,在室温下通过磁力搅拌至全部溶解,再加入0.28g草酸二水合物剧烈搅拌至全部溶解;
(2)将上述两种溶液溶液混合,在室温下搅拌15分钟,然后转移到100ml内衬为聚四氟乙烯材质的反应釜中,并在220℃反应24小时;反应结束后将反应釜自然冷却至室温,将得到的黑色沉淀物经过离心,水洗,乙醇洗,整个过程一共重复3次,最后在真空烘箱80℃干燥5小时,得到1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体;
(3)将步骤(2)中得到的1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体1g加入到100ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的黑色的1T相二硫化钨/碳纳米管分散液;
(4)将一张吸水性强的纤维素纸浸入步骤(3)中得到的二硫化钨/碳纳米管分散液10分钟,取出后放入烘箱中在60℃下干燥。
(5)将吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸浸入纯水中10分钟以除去分散剂十二烷基苯磺酸钠,并放入烘箱中在60℃下干燥。为了在纤维素纸上吸附更多的1T相二硫化钨/碳纳米管。
步骤4~5重复3次。
(6)将步骤(5)中得到的充分吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸利用辊压机进行辊压延展3次,使褶皱的纤维素纸平展,同时减小纤维素纸的厚度,从而得到P型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料;
(7)将四甲基对苯二胺溶解在乙腈中,配制成10%的溶液;将步骤(6)中制备的P型1T相二硫化钨/碳纳米管纤维素纸浸入上述溶液中90分钟,取出后放入烘箱中在60℃下去除溶剂,从而得到N型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。
将纸基热电材料裁剪成5×3cm的矩形进行热电性能测试。该材料的电导率为5625S/m,塞贝克系数为57μV/K,功率因子为18.3μW/mK;化学掺杂后材料的电导率为2355S/m,塞贝克系数为-39μV/K,功率因子为3.6μW/mK。
实施例10:
一种轻质柔性纤维素纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将15mg多壁碳纳米管粉体加入到30ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的碳纳米管水分散液;
将偏钨酸铵水合物0.8g,硫脲0.8g溶解在30ml水中,在室温下通过磁力搅拌至全部溶解,再加入0.28g草酸二水合物剧烈搅拌至全部溶解;
(2)将上述两种溶液溶液混合,在室温下搅拌15分钟,然后转移到100ml内衬为聚四氟乙烯材质的反应釜中,并在220℃反应24小时;反应结束后将反应釜自然冷却至室温,将得到的黑色沉淀物经过离心,水洗,乙醇洗,整个过程一共重复3次,最后在真空烘箱80℃干燥5小时,得到1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体;
(3)将步骤(2)中得到的1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体1g加入到100ml十二烷基苯磺酸钠水溶液(浓度为1%)中,通过超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的黑色的1T相二硫化钨/碳纳米管分散液;
(4)将一张吸水性强的纤维素纸浸入步骤(3)中得到的二硫化钨/碳纳米管分散液10分钟,取出后放入烘箱中在60℃下干燥。
(5)将吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸浸入纯水中10分钟以除去分散剂十二烷基苯磺酸钠,并放入烘箱中在60℃下干燥。为了在纤维素纸上吸附更多的1T相二硫化钨/碳纳米管。
步骤4~5重复3次。
(6)将步骤(5)中得到的充分吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸利用辊压机进行辊压延展3次,使褶皱的纤维素纸平展,同时减小纤维素纸的厚度,从而得到P型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料;
(7)将聚乙烯吡咯烷酮溶解在N-甲基吡咯烷酮中,配制成10%的溶液;将步骤(6)中制备的P型1T相二硫化钨/碳纳米管纤维素纸浸入上述溶液中120分钟,取出后放入烘箱中在60℃下去除溶剂,从而得到N型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料
将纸基热电材料裁剪成5×3cm的矩形进行热电性能测试。该材料的电导率为5625S/m,塞贝克系数为57μV/K,功率因子为18.3μW/mK;化学掺杂后材料的电导率为2486S/m,塞贝克系数为-38μV/K,功率因子为3.6μW/mK。
Claims (10)
1.一种轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料及其制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1〕将所述碳纳米管粉体加入到浓度为0.5~2%分散剂水溶液中,分散后得到稳定分散的碳纳米管水分散液;其中:碳纳米管粉体与分散剂水溶液的重量(mg)与体积(mL)比为(1~4)∶4;
将偏钨酸铵水合物和硫脲溶解在水中溶解,再加入草酸二水合物,剧烈搅拌至全部溶解;其中:偏钨酸铵水合物的质量(g)、硫脲的质量(g)、水的体积(mL)和草酸二水合物(g)的质量之比为:(4~15)∶(4~15)∶300∶(14~56)
2〕将步骤1〕制得的分散液和水溶液按照(1~5)∶75体积比混合后,置于反应器中,200℃~240℃反应24~48小时;反应结束并冷却后,分离出1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体;
3〕将步骤2〕得到的1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体加入到十二烷基苯磺酸钠水溶液中,分散后得到稳定分散的1T相二硫化钨/碳纳米管分散液;其中,二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体与十二烷基苯磺酸钠水溶液的质量体积比为(1~4)∶200,十二烷基苯磺酸钠水溶液的浓度为0.5~2%;
4〕将具有吸水性的纤维素纸浸入1T相二硫化钨/碳纳米管分散液,取出后干燥;
5〕将干燥后的吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸浸入水中,取出后再次干燥;
6〕将经过步骤4~5处理的纤维素纸展平,得到P型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料;
7〕将富含氮原子的N型化学掺杂剂溶解后,配制成5~20%的溶液;
将步骤6〕中制备的P型1T相二硫化钨/碳纳米管纤维素纸浸入上述溶液中,取出后放入烘干以去除溶剂,从而得到N型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。
2.根据权利要求1所述的一种轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料及其制备方法,其特征在于:
步骤1〕中,采用超声波细胞破碎仪进行超声分散;
所述碳纳米管为单壁碳纳米管或者多壁碳纳米管;
所选用分散剂包括阴离子型表面活性剂十二烷基苯磺酸钠,阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵,非离子型表面活性剂曲拉通X-100。
3.根据权利要求1或2所述的一种轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料及其制备方法,其特征在于:步骤1〕中,所采用试剂均为分析纯,实验用水为电阻不小于10Ωm的一级纯水。
4.根据权利要求1或3所述的一种轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料及其制备方法,其特征在于:步骤2〕中,溶液混合后,在室温下搅拌15~30分钟,然后转移到内衬为聚四氟乙烯材质的反应釜中进行反应;
反应结束后,将反应釜自然冷却至室温,将得到的黑色沉淀物经过离心,水洗,乙醇洗,整个过程一共重复3~5次,最后在真空烘箱60~80℃干燥5~8小时,得到1T相二硫化钨/碳纳米管复合材料粉体。
5.根据权利要求1或3所述的一种轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料及其制备方法,其特征在于:步骤3〕中,采用超声波细胞破碎仪进行超声分散,得到稳定分散的黑色的1T相二硫化钨/碳纳米管分散液。
6.根据权利要求1或3所述的一种轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料及其制备方法,其特征在于:步骤4〕中,将一张吸水性强的纤维素纸浸入二硫化钨/碳纳米管分散液10~30分钟,取出后放入烘箱中在60~80℃下干燥。
7.根据权利要求1或3所述的一种轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料及其制备方法,其特征在于:步骤5〕中,将吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸浸入纯水中10~30分钟以除去分散剂十二烷基苯磺酸钠,并放入烘箱中在60~80℃下干燥。
8.根据权利要求1或3所述的一种轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料及其制备方法,其特征在于:步骤4〕~5〕重复3~7次。
9.根据权利要求1所述的一种轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料及其制备方法,其特征在于:步骤6〕中,将充分吸附了1T相二硫化钨/碳纳米管的纤维素纸利用辊压机进行辊压延展1~3次,使褶皱的纤维素纸平展,同时减小纤维素纸的厚度,从而得到P型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。
10.根据权利要求1所述的一种轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料及其制备方法,其特征在于:
步骤7〕中,
N型化学掺杂剂选自聚乙烯亚胺、四甲基对苯二胺或者聚乙烯吡咯烷酮;对应的溶剂分别为纯水、乙腈和N-甲基吡咯烷酮;
P型1T相二硫化钨/碳纳米管纤维素纸浸入上述溶液中30~120分钟,取出后放入烘箱中在60~80℃下去除溶剂,从而得到N型的轻质柔性纸基1T相二硫化钨/碳纳米管复合热电材料。
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