[发明专利]空气稳定和高性能n型多壁碳纳米管热电材料的制备方法

说明书

一种空气稳定和高性能n型多壁碳纳米管热电材料的制备方法，将n型掺杂剂加入到有机溶剂中，超声分散，得到n型掺杂剂的溶液；将多壁碳纳米管薄膜浸泡在n型掺杂剂的溶液1.5h‑3h；然后将浸泡后得到的多壁碳纳米管薄膜取出，冲洗，干燥，得到n型多壁碳纳米管热电材料。本发明通过对其掺杂后的碳纳米管薄膜进行性能和稳定性的一系列相关表征表明经过N‑DMBI掺杂后的多壁碳纳米管薄膜成功的由p型转化成n型，其电导率和塞贝克系数都有提升。本发明不仅操作过程方便、处理后的n型多壁碳纳米管薄膜具有较高的功率因子以及在空气中显示出长时间性能的稳定性，而且极大的提升了n型多壁碳纳米管薄膜作为热电材料的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种空气稳定和高性能n型多壁碳纳米管热电材料的制备方法。

背景技术

热电材料可以直接将热能转化为电能，利用余热回收能源，提高能源利用效率。这种环保的清洁能源材料因其丰富的余热资源而受到越来越多的关注，具有很大的回收利用潜力。与传统的脆性和刚性热电材料相比，柔性热电材料可以与任意几何形状的热源紧密接触，从而通过降低热能损耗显著提高转换效率。此外，柔性的独立热电材料可以获得最佳的器件形状，从而通过最小化热损失进一步提高能量转换效率。因此，作为下一代热电材料的柔性热电材料，尤其是独立自支撑薄膜，在实际应用中受到了高度的重视。

与单壁碳纳米管薄膜和双壁碳纳米管薄膜相比，多壁碳纳米管薄膜可以大规模生产，纯度高，成本低。由于其独特的电子性能和柔韧性，它们是一种很有前途的柔性材料。由于原始碳纳米管对氧非常敏感，通常在空气中由于氧的掺杂而表现出p型性质。n型碳纳米管薄膜通常是通过还原剂、富含电子的有机分子或在碳纳米管薄膜中封装金属原子/有机供体分子来处理p型碳纳米管薄膜而获得的。这些方法更常用于制造n型单壁碳纳米管薄膜和双壁碳纳米管薄膜。单壁碳纳米管薄膜在利用聚乙烯亚胺(PEI)掺杂后其塞贝克系数可以达到-80μV/K【Zhou,et al.,Nat.Commun.,8,14886(2017)】。然而,n型多壁碳纳米管薄膜的报道较少,通常表现出较低的“金属”式的塞贝克系数-10μV/K左右【Baxendale,et al.,Physical Review B,61,12705(2000)】。多壁碳纳米管薄膜的Seebeck系数低的一个原因是多壁碳纳米管薄膜的n型掺杂水平低，这是由于它们的同轴结构抑制了掺杂剂接近内碳管。p型未掺杂的多壁碳纳米管内壁与n型掺杂的多壁碳纳米管外壁的竞争作用导致了多壁碳纳米管的n型Seebeck系数较低。第二个原因可能是由于多壁碳纳米管的大直径降低了表面积。多壁碳纳米管的可掺杂表面积比单壁/双壁碳纳米管的可掺杂表面积要小得多。因此，多壁碳纳米管表面吸收的掺杂物质较少，导致了相关的低掺杂水平。理论和实验证明，在碳纳米管由p型向n型转变的过程中，增加n型掺杂剂的掺杂量会使塞贝克系数增大。多壁碳纳米管薄膜的Seebeck系数低的第三个原因是多壁碳纳米管薄膜通常被认为比单壁/双壁碳纳米管更“金属化”。因此，同轴结构、相关的低表面积、较多的“金属”行为以及较大的直径导致了n型多壁碳纳米管薄膜的低塞贝克系数。

在保证由p型碳纳米管薄膜转型成n型的薄膜基础上，既要使得电导率维持在较高的水平和高的塞贝克系数，并且，在空气中能稳定的n型碳纳米管薄膜是一项重大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空气稳定和高性能n型多壁碳纳米管热电材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种空气稳定和高性能n型多壁碳纳米管热电材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将n型掺杂剂加入到有机溶剂中，超声分散，得到n型掺杂剂的溶液；

(2)将多壁碳纳米管薄膜浸泡在n型掺杂剂的溶液1.5h-3h；然后将浸泡后得到的多壁碳纳米管薄膜取出，冲洗，干燥，得到n型多壁碳纳米管热电材料。

本发明进一步的改进在于，步骤(1)中，n型掺杂剂加入到有机溶剂的质量比为(2-8):100。