[发明专利]碳纳米管/聚(3-己基)噻吩复合热电材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于导电高分子-无机纳米结构复合热电材料领域，涉及一种 CNT/P3HT复合热电材料的制备方法。

背景技术

热电材料是一种能够通过固体中载流子（空穴或电子）的输运实现热能和电能之间直接转换的功能材料。热电材料的应用不需要使用传动部件、结构简单、尺寸可以做到很小、工作时无噪声、无排弃物、对环境没有污染,并且这种材料还具有使用寿命长、性能可靠等优良特点。因此，热电材料是一类具有广泛应用前景的环境友好材料，被认为是未来非常有竞争力的能源替代介质。

衡量热电材料的一个重要性能指标就是ZT值，其表达式如下：

其中：为Seebeck系数；为电导率；和分别为声子热导率和电子热导率，被称为功率因子。热电优值的单位为K^-1。由于无量纲热电优值ZT中的三个物理量Seebeck、电导率和热导率均与材料的电子结构和载流子散射有关，它们之间相互制约，所以很难提高材料的ZT值。

导电聚合物以及它们的衍生物具有热导率低、质轻、价廉、容易合成和加工成型等优点，作为热电材料具有广阔的应用前景。碳纳米管(CNT), 具有优良的电传导、热传导和机械性能，并且CNT具有中空的结构，有利于提高复合材料的热电性能。Yu等(Nano Letters 2008;8:4428)于2008年首次报道了在CNT-聚合物复合热电材料中，随着CNT含量的增加，复合材料电导率显著增大，而Seebeck系数和热导率的变化却并不明显。这就使通过提高CNT-导电聚合物复合材料的电导率来提高其热电性能成为了可能。这个工作报道以后，越来越多的科研工作者开始试图将CNT引入导电聚合物体系中，来制备CNT-导电聚合物复合热电材料，以期望提高复合材料的热电性能(Acs Nano 2010;4:2445)(Advanced Materials 2010;22:535)。

因此，若能通过适当的方法制备CNT-导电聚合物复合热电材料，并且尽可能的发挥导电聚合物和CNT各自的优点(例如：导电聚合物低的热导率，CNT高的电导率), 将有可能大幅度提高复合材料的热电性能。

目前，制备导电聚合物-CNT复合材料的主要方法是原位聚合法、溶液混合法、浇铸法，但这些方法需要使用大量有机溶剂，易污染环境。

说明书术语缩写简称罗列：

CNT/P3HT：碳纳米管/聚(3-己基)噻吩

3-HT：3-己基噻吩。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明通过机械化学方法制备了CNT/P3HT粉末，然后将复合粉末冷压，制备复合块体热电性能。该方法无需有机溶剂、绿色环保、简便可行、适合大规模生产的方法来制备CNT/P3HT复合热电材料。

 本发明给出的技术方案为：

一种CNT/P3HT复合热电材料的制备方法，其特征在于,包括步骤：

（1）配料：

确定配比是，球、料的质量比(W_{氧化锆磨球}:W_{CNT+P3HT+氧化剂})为5:1-10:1，所述的氧化剂与3HT质量比为4:1-8:1；

设计的配料顺序是，将氧化锆磨球和适量氧化剂加入到氧化锆球磨罐中，然后加入CNT，混合均匀后，滴加适量的3-HT单体，密封球磨罐后放入球磨机中球磨。

（2）球磨：转速100-500rpm，持续时间30-60min, 然后转速500-1000rpm，再持续时间10-30min。

（3）离心、洗涤：球磨后取出氧化锆磨球，将余下的黑色反应产物进行离心洗涤处理。

（4）干燥：60-80°C真空干燥12-24h。

（5）冷压：获得块状的CNT/P3HT复合热电材料，其中CNT的含量为0-90wt%。

所述的CNT为单壁碳纳米管(SWCNT)、双壁碳纳米管(DWCNT)、以及多壁碳纳米管（MWCNT）。

所述的氧化锆磨球直径为2mm。

所述的球磨罐为100-200mL氧化锆球磨罐。

所述的氧化剂可以选择三氯化铁或者过硫酸铵。

本发明的优点主要在于：工艺简单，反应过程中不使用有机溶剂，是一种绿色、环保、简单并且适合大规模生产的方法。并且所得产物可广泛应用于温度低于150°C的热电制冷和发电设备，市场前景广阔。

附图说明

图1为实施例1合成的P3HT粉末的场发射扫描电镜图片。

图2 为实施例2合成的MWCNT含量为30wt%的MWCNT/P3HT复合粉末的数码照片。