[发明专利]获得高性能聚苯胺基热电材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于有机热电材料技术领域，具体涉及一种获得高性能聚苯胺基热电材料的方法。 

背景技术

热电转换技术是利用半导体材料的赛贝克（Seebeck）效应和珀尔帖（Peltier）效应将热能和电能进行直接转换的技术，包括热电发电和热电致冷。这种技术具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、适用温度范围广等特点，作为特殊电源以及高精度温控器件在空间技术、军事装备、IT技术等高新技术领域获得了普遍应用。此外，热电转换技术作为一种新型的清洁能源技术近几年在国际上受到瞩目。目前研究和使用的热电材料绝大多数为无机半导体，原料价格昂贵且加工困难，难以制备异型及柔性器件，极大的限制了热电材料的推广和使用。目前，寻求一种新型的价廉且易加工的热电材料已成为当务之急。 

近十年来，随着有机导电材料研究的迅猛发展，导电聚合物作为一种潜在的新型热电材料愈来愈引人瞩目。与无机半导体热电材料相比，导电聚合物不仅原料价廉易得，加工简单，并且热导率极低，比一般的无机半导体材料小一个数量级，因而是一种理想的备选热电材料,有望在微型及柔性发电及致冷器件中得到应用。但是，它的电导率与赛贝克系数较低（热电材料的热电性能一般通过无量纲热电优值ZT来评价，ZT=α²σT/κ，其中α为赛贝克系数，σ为电导率，κ为热导率，T为绝对温度）。近年来，对各种导电聚合物的研究表明他们的热电功率因子α²σ一般为10^-6~10^-10Wm^-1K^-2，ZT值一般为10^-3~10^-2，约比无机热电材料小3个数量级。 

导电聚合物中导电聚苯胺由于导电性好，合成方法简单，易加工，是目前研究最多的导电聚合物热电材料之一。最近的研究结果表明，通过将聚苯胺与具有有序结构的纳米碳材料，如碳纳米管、石墨烯等复合，利用纳米碳材料与聚苯胺间的π-π共轭效应以及纳米碳材料的有序结构诱导聚苯胺分子的有序生长，提高聚苯胺分子排列的有序度，减少分子链内和链间由于分子无序排列所形成的π-π共轭的缺陷，增加载流子迁移率，从而提高了聚苯胺 的热电性能（Advanced Materials,2009,21,1-5；ACS nano,2010,4,2445-2451;Synthetic Metals,2012,161,2688-2692;Carbon,2012,50,3064-3073），聚苯胺的ZT值可提高两个数量级至10^-210^-3。即便如此，仍远低于目前已获得实际应用的无机热电材料的性能。因此，如何进一步提高纳米碳/聚苯胺复合材料的热电性能，是目前聚苯胺热电材料研究亟待解决的问题。研究中发现，通过碳纳米管诱导，虽然宏观上在一定程度上能提高聚苯胺分子链排列的有序度，但由于分子中内聚力（如范德华力）的存在，使得从局部看来聚苯胺分子仍为紧密缠绕的毛线团构象，难以实现聚苯胺分子高度有序的排列，因而对热电性能的提高也是有限的。 

MacDiarmid等研究发现，溶剂诱导也可以改善聚苯胺分子链的微观堆积状态（Synthetic Metals,1995,69,85-92）。将聚苯胺分子溶于合适的溶剂中，通过聚苯胺分子与溶剂之间弱的化学相互作用（如氢键、静电作用）可以使聚苯胺分子的链构象由紧密缠绕变为舒展，从而有利于聚苯胺分子链的有序堆积。 

发明内容

本发明针对现有技术聚苯胺基热电材料中的聚苯胺分子排列的有序度不够高，无法获得高ZT值的热电材料，目的在于提供一种获得高性能聚苯胺基热电材料的方法。本发明先通过酚溶剂与聚苯胺分子相互作用初步提高聚苯胺分子链的排列的有序度，再通过与纳米碳材料复合，通过碳纳米管诱导实现聚苯胺分子的有序堆积，进一步增强聚苯胺分子链的排列的有序度，以获得高性能的聚苯胺基热电材料。 

本发明获得高性能聚苯胺基热电材料的方法具体包括如下步骤： 

A)将聚苯胺粉末与氨水溶液相混合，搅拌、过滤、干燥，获得本征态的聚苯胺； 

B)将本征态的聚苯胺与大分子磺酸混合，研磨，通过固相反应获得磺酸掺杂的聚苯胺； 

C)将磺酸掺杂的聚苯胺溶于酚溶剂中，搅拌，获得聚苯胺溶液； 

D)将纳米碳材料加入到聚苯胺溶液中，充分搅拌，去除酚溶剂，获得高性能的聚苯胺基热电材料。