CN113300665B - 一种光子增强的柔性光热电材料及其制备与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光子增强的柔性光热电材料，其是将MWCNT膜和Mxene膜的界面相接触所形成的具有p‑n异质结的材料，即一种名为CM膜的柔性光热电材料。该材料的制备方法，主要包括MWCNT膜制备、MXene溶液制备、将MXene溶液涂刷使干燥后的MXene膜与MWCNT膜在界面相接触。本发明得到的光子增强的柔性光热电材料可在光热电转换技术如光热电转换材料、光热电转换设备或装置或器件或组件或系统中应用，也可在电源或光电探测技术如光电探测材料、光电探测设备或装置或器件或组件或系统中应用。本发明具有良好的机械性能、更高导电性，可以广泛地应用于电源和光电探测。
Description
技术领域
本发明涉及光热电转换新材料技术领域，具体涉及一种光子增强的柔性光热电材料及其制备方法与应用。
背景技术
由于不可再生化石能源的过度消费，能源危机和环境问题在世界上引起了越来越多的关注。改变传统的能源供应是一个巨大的挑战，传统能源供应逐渐被风、水、太阳能等清洁能源所取代。太阳能是应用最广泛的可再生能源之一，全世界都在努力开发发电机来收获太阳能。特别是，作为一种太阳能转换技术，光伏(PV)和光热(PT)器件是可以从光中转化能量的有前途的技术。其中，PTE器件由于具有柔性、自供电和环境友好的特点，在光电探测器和功率发生器中具有很好的应用前景。
PTE效应是光热效应和热电效应相结合的物理机制。最近的研究表明，PTE装置当然可以使用红外线(IR)来发电，这可以成为可见光(VIS)光发电机的有效补充。由于其波长长、能量低，红外光与可见光明显不同。由于红外光的热效应，PTE器件可以在红外光的照射下加热，并且在由于TE性质而产生的光生热能的温度梯度下可以产生光电压。由于能带隙小，TE材料在红外区域通常表现出主要的吸收带，并在光热(PT)领域具有潜在的应用前景。结合近红外和红外光的热效应，可以产生温度梯度。在一定程度上，热传导全面参与了利用红外光转化为电输出的过程。
一般情况下，PTE效应引起的输出电压由公式ΔV＝ΔS×ΔT计算，ΔS是指两种材料的Seebeck系数，ΔT是指热端和冷端之间的温度差。为了获得更高的电压输出，追求较高的Seebeck系数是合理的。同时，较低的内阻有利于获得较大的光电流，以增加光功率输出。光诱导热载流子在PTE效应中在热交换和光诱导电压输出中起主导作用。相反，PV效应在光的照射下产生光激发电子空穴对。当p-n结被阳光照射时，通过内部空穴和电子迁移可以得到两侧的电位差。此外，随着PTE效应的进一步研究，红外光的使用大大扩大了可用的阳光波段。通过p-n结结构设计，可以实现从深紫外到太赫兹(THz)波段的优异光电检测能力。
目前，大多数垂直异质结结构的太阳能发电装置都是通过不同的功能层设计的，以提高光的利用能力。然而，由电荷传输层和顶部电极组成的垂直结构将导致入射光的丢失和界面上的大量缺陷。许多研究表明，面内器件减少了入射光的反射和损耗，异质结的小接触面积可以减少缺陷。而且制备工艺简单，从而消除了昂贵的透明导电电极，降低了成本。然而，具有面内p-n异质结的PTE纳米发电机还没有被研究过。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光子增强的柔性光热电材料，其是一种结合MXene膜和MWCNT膜的CM膜。本发明将光电效应、光热效应和热电效应相结合，为充分利用阳光产生能量提供了新的思路。
本发明的光子增强的柔性光热电材料，其是将MWCNT膜和Mxene膜的界面相接触所形成的具有p-n异质结的材料，即一种名为CM膜的柔性光热电材料。
本发明所述光子增强的柔性光热电材料的制备方法，主要包括MWCNT膜制备、MXene溶液制备、将MXene溶液涂刷使干燥后的MXene膜与MWCNT膜在界面相接触。
上述制备方法中，优选的，所述MWCNT膜制备采用碳纳米管与十二烷基苯磺酸钠在去离子水中混合超声，然后真空抽滤再干燥的方法，而该方法亦为MWCNT膜在本领域所常用的制备方法。
上述制备方法中，优选的，在真空抽滤的时候，把滤纸的一半遮挡住，经过过滤后，移开遮挡物再干燥。
上述制备方法中，优选的，所述MXene溶液制备采用氟化锂刻蚀Ti3AlC2的方法，而该方法亦为MXene溶液在本领域所常用的制备方法。
作为一种优选方案，本发明所述光子增强的柔性光热电材料的制备方法，可以包括步骤：
(1)采用碳纳米管与十二烷基苯磺酸钠在去离子水中混合超声，然后真空抽滤；在真空抽滤的时候，把滤纸的一半遮挡住，经过过滤后，移开遮挡物，形成一半留白另一半敷有MWCNT膜的滤纸，干燥；
(2)采用氟化锂刻蚀Ti3AlC2的方法制备MXene溶液，将MXene溶液涂刷在留白处，干燥使MXene膜与MWCNT膜在界面相接触，在MWCNT膜和Mxene膜的界面处形成p-n异质结，得到一种光子增强的柔性光热电材料。
作为另一种优选方案，本发明所述光子增强的柔性光热电材料的制备方法，可以包括以下步骤：
(1)采用碳纳米管与十二烷基苯磺酸钠在去离子水中混合超声，然后真空抽滤；在真空抽滤的时候，把滤纸的一半遮挡住，经过过滤后，移开遮挡物，形成一半留白另一半敷有MWCNT膜的滤纸，干燥；
(2)在步骤(1)所得滤纸中剪出所需的热电腿形状，其中MWCNT与留白的面积比为1：1；
(3)采用氟化锂刻蚀Ti3AlC2的方法制备MXene溶液，将MXene溶液涂刷在留白处，干燥使MXene膜与MWCNT膜在界面相接触，在MWCNT膜和Mxene膜的界面处形成p-n异质结，得到一种光子增强的柔性光热电材料。
本发明得到的光子增强的柔性光热电材料可在光热电转换技术如光热电转换材料、光热电转换设备或装置或器件或组件或系统中应用，也可在电源或光电探测技术如光电探测材料、光电探测设备或装置或器件或组件或系统中应用。
本发明不仅通过p-n异质结的内置电场与热场的协同作用来介绍载流子的分离和传输机制，而且为更好地利用太阳能提供了新的方式。
在本发明中，我们提出了一种新的光利用机制--这是一种把两种机制相互结合在一起的新的机制，在这一机制中，光伏效应和光热电效应相互促进--它可以有效地转换太阳光、热和电之间的能量，并且在捕获低频光子和光诱导载流子方面具有独特的优势。在这里，凭借器件结构设计，材料选择和性能优化，可见光(VIS)和红外光都可以结合PV和PTE效应发电。设计了一种柔性薄膜(CM薄膜)，它在多壁碳纳米管(MWCNT)和Ti3C2Tx纳米片(MXene)复合平面内结构之间具有面内p-n异质结。通过将PV效应和PTE效应相结合，CM膜实现了从VIS到IR光范围内超宽光谱的利用。本发明不仅为PTE器件产生光子增强电压输出提供了新的建议，而且有助于理解平面内结构器件电子和空穴转移的影响。
与现有技术相比，本发明的优势为：
1、本发明证明了一种用p型MWCNT和n型MXene制备的CM薄膜在捕光应用中的潜在用途。
2、本发明可利用300到1200纳米范围的波长光(包含可见光以及红外光范围)来产生能量，相比已报到太阳能光热电器件仅能单独利用红外光(800纳米以上)或者可见光特性，本发明有了显著改变，可利用光谱范围得到扩展，性能得到显著提升。
3、本发明具有良好的机械性能、更高导电性，可以广泛地应用于电源和光电探测器件。
附图说明
图1为CM膜的制备流程示意图；图(a)MWCNT膜，(b)MXene溶液，(c)涂刷MXene溶液在MWCNT留白部分制备CM膜的过程。
图2为本发明制备的CM、MWCNT和MXene薄膜在紫外-可见吸收光谱。图中展示了CM膜、MWCNT膜和MXene膜对不同波段的光吸收能力，CM膜的光谱吸收范围因为MWCNT而展宽。
图3为CM膜在不同的激光器下，CM膜的输出电压。
具体实施方式
下面对本发明的内容进行进一步说明，但是下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
实施例1
1)首先，在30mL去离子水中加入16mg碳纳米管和160mg十二烷基苯磺酸钠。然后，将混合溶液超声处理30min。其次，用水系滤纸(孔径：0.22μm，直径：47mm)对混合溶液进行抽真空过滤成膜(抽膜)。在抽膜的时候，把滤纸的一半遮挡住，这样把MWCNT溶液倒入抽滤瓶中，经过过滤后，移开遮挡物。遮挡物所遮盖的部分，没有沾上MWCNT，这一部分作为留白。最后，将得到的柔性MWCNT薄膜在室温下干燥12h。
2)合成Ti3C2Tx(Tx＝OH，F)MXene纳米片是由选择性地蚀刻铝层Ti3AlC2粉末得来的。在室温下，将20毫升盐酸混合1.0g氟化锂得到离子溶液放置在聚四氟乙烯容器中，然后将1.0gTi3AlC2粉末分10次缓慢加入上述离子溶液中，再在308K下搅拌反应24h。将离子溶液中的锂离子插入到Ti3AlC2的层间，以扩大层间距离。将离子溶液中的氢氟酸插入层间，选择性地从Ti3AlC2中蚀刻出Al原子。刻蚀完成后，用去离子水纯化，直到pH值接近7。然后，在氩气保护下，将得到的混合物在冰浴中超声60分钟。然后，每秒3500转离心5分钟。收集上清液，得到11mg/mL的Ti3C2Tx溶液即MXene溶液。
3)从真空过滤得到的MWCNT薄膜中剪出长20mm，宽1mm的矩形热电腿，其中MWCNT与留白的面积比为1：1。然后，用MXene溶液涂重复涂刷留白的部分3次，将MXene膜覆盖热电腿的另一半。最后，将干燥的柔性CM膜在室温下真空保存。图3为CM膜在不同的激光器下，CM膜的输出电压，可见CM膜对不同波长光的响应情况。另外，采用CM膜进行光热点测量实验，在测量的过程中，我们把正极接到CM膜的MWCNT一端，负极接到Mxene一端，然后将10个CM膜串联起来，制备了一种太阳能纳米发电机，其在AM1.5G模拟阳光下可达到2.0mV的输出电压。由此CM膜可作为一种自供电的材料用于发电设备。
Claims (9)
1.一种光子增强的柔性光热电材料，其是将MWCNT膜和Mxene膜的界面相接触所形成的具有面内p-n异质结的材料。
2.如权利要求1所述的一种光子增强的柔性光热电材料的制备方法，包括MWCNT膜制备、MXene溶液制备、将MXene溶液涂刷使干燥后的MXene膜与MWCNT膜在界面相接触。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述MWCNT膜制备采用碳纳米管与十二烷基苯磺酸钠在去离子水中混合超声，然后真空抽滤再干燥的方法。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在真空抽滤的时候，把滤纸的一半遮挡住，经过过滤后，移开遮挡物再干燥。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述MXene溶液制备采用氟化锂刻蚀Ti3AlC2的方法。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)采用碳纳米管与十二烷基苯磺酸钠在去离子水中混合超声，然后真空抽滤；在真空抽滤的时候，把滤纸的一半遮挡住，经过过滤后，移开遮挡物，形成一半留白另一半敷有MWCNT膜的滤纸，干燥；
(2)采用氟化锂刻蚀Ti3AlC2的方法制备MXene溶液，将MXene溶液涂刷在留白处，干燥使MXene膜与MWCNT膜在界面相接触，在MWCNT膜和Mxene膜的界面处形成p-n异质结，得到一种光子增强的柔性光热电材料。
7.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用碳纳米管与十二烷基苯磺酸钠在去离子水中混合超声，然后真空抽滤；在真空抽滤的时候，把滤纸的一半遮挡住，经过过滤后，移开遮挡物，形成一半留白另一半敷有MWCNT膜的滤纸，干燥；
(2)在步骤(1)所得滤纸中剪出所需的热电腿形状，其中MWCNT与留白的面积比为1：1；
(3)采用氟化锂刻蚀Ti3AlC2的方法制备MXene溶液，将MXene溶液涂刷在留白处，干燥使MXene膜与MWCNT膜在界面相接触，在MWCNT膜和Mxene膜的界面处形成p-n异质结，得到一种光子增强的柔性光热电材料。
8.权利要求1所述的或者由权利要求2-7任一项所述制备方法得到的光子增强的柔性光热电材料在光热电转换技术中的应用。
9.权利要求1所述的或者由权利要求2-7任一项所述制备方法得到的光子增强的柔性光热电材料在电源或光电探测中的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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