[发明专利]一种聚吡咯包覆碳纳米管的复合热电材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备聚吡咯包覆碳纳米管的复合热电材料的方法，特别涉及在以过硫酸铵作为氧化剂的情况下, 吡咯通过原位氧化聚合对碳纳米管包覆形成复合热电材料的方法。

背景技术

随着全球工业化进程的加快，解决环境污染以及世界能源短缺和枯竭已经成为世界性的难题，因此，开发和使用新型绿色能源已经变得非常迫切。而在生产和生活中有许多无法避免其生成、却又被废弃的热能，例如：地热、摩擦生热、汽车尾气、工厂锅炉排放的气体等等，如果能将这些废热进行有效的回收利用将成为缓解能源危机的一种有效手段。而热电材料正是一种能够实现热能和电能直接相互转换的功能材料。

热电材料的应用不需要使用传动部件，工作时无噪音、无排弃物，和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠，使用寿命长，不仅在军事、航天等高科技领域已有应用，而且在废热发电、医学恒温、微型传感等民用领域也有着广泛的应用。因此，热电材料是一种具有广阔应用前景的环保材料，在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。

用以衡量热电材料性能的指标用ZT值表示，ZT值越大，其热电转化效率越高。由于合金可以很大程度上降低晶格的热导率而不降低电导率，因而基于Bi-Te-Sb-Pb的合金材料至今仍以其在室温及低温条件下较高的转化效率而在热电材料中占据主导地位。知道目前为止，具有高热电性能的无机合金，如Bi₂Te₃，PbTe，Sb₂Te₃等仍然是最广泛被研究和使用的热电材料，它们在室温下的ZT值都接近于1【R. Yang, et al., Mater. Integr.,18, 31 (2005)】。但由于合金材料具有加工困难、密度大、价格昂贵、高温不稳定、易腐蚀及污染严重的缺点而使其应用受到很大的局限性。

与无机材料相比较，导电高分子材料由于其易合成、质轻、环境稳定性好、热导率低、电导率可调、成膜性好等优点，一定程度上弥补了无机材料的不足，被认为是一类非常有潜在价值的热电材料。然而，尽管Pipe等人【G.-H. Kim, et al., Nature Mater., 12, 719 (2013)】通过DMSO对PEDOT/PSS进行掺杂，制备了迄今为止热电效率最高的有机热电材料，其ZT值达到0.42，但总体来说，导电高分子固有的低电导率和低Seebeck系数致使它们的热电性能离实际应用还有很大的差距。

由此，一类新的热电材料——无机/有机复合材料应运而生。它是通过将具有低热导率的有机导电高分子和具有高电导率的无机粒子相结合而产生的一类杂化材料。这种杂化材料可将有机高分子和无机粒子各自组分的优势进行有机结合，充分发挥各组分之间的协同效应，是一类性能优于其各单组分的新型热电材料。因此，近年来科学家对于无机/有机聚合物复合热电材料的研究表现出非常浓厚的兴趣，导电高分子如聚苯胺、聚噻吩、聚（乙撑二氧噻吩）以及聚（3-烷基噻吩）与无机粒子的各种复合材料的制备及其热电性能目前已有很多报道【M. He, et al., Energy Environ. Sci., 6, 1352 (2013); Y. Du, et al., Progress Polymer Sci., 37, 820 (2012)】。

然而，作为性质非常稳定的导电聚合物之一的聚吡咯，尽管其纯聚合物的热电性能早在上世纪九十年代就得到关注【R. Roy, et al., J. Phys.: Condens. Matter, 3, 7849 (1991)】，但对于其与无机粒子复合体系的热电性能至今尚未见报道。而碳纳米管，尤其是单壁碳纳米管，尽管在室温下具有较高的热导率，但其优良的机械强度和高电导率已经使得碳纳米管成为近年来有机聚合物中非常有前景的一类导电性添加剂【J. T. Hu, et al., Acc. Chem. Res., 32, 435 (1999); M. S. Fuhrer, et al., Nano Lett., 2, 755 (2002); R. H. Baughman, et al., Science, 297, 787 (2002)】。因此，导电高分子聚吡咯/碳纳米管的复合体系是一类非常有应用前景的热电材料，该材料的制备及其热电性能的研究具有非常重要的意义。