一种高热电性能的自立式PEDOT:PSS/SWCNTs复合柔性薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高热电性能的自立式PEDOT:PSS/SWCNTs复合柔性薄膜的制备方法，属于柔性热电材料制备技术领域。该方法通过在PEDOT:PSS水溶液中加入有机掺杂剂，再将PEDOT:PSS/SWCNTs混合溶液滴涂于玻璃基底上，之后经干燥形成层状PEDOT:PSS/SWCNTs薄膜；再将制得的薄膜浸泡于还原剂中进行处理，得到自立式PEDOT:PSS/SWCNTs薄膜。该方法通过有机极性溶剂的掺杂削弱了PEDOT与PSS链之间的库仑相互作用，从而促进PEDOT链的重排，有效提高PEDOT:PSS的电导率；高电导率碳纳米管导电网络的存在为载流子的传输提供了额外的通道，导致更高的载流子迁移率，使得电导率进一步获得提升；通过还原剂后处理来降低PEDOT分子的氧化掺杂浓度，在电导率并无大幅度降低的基础上提升了塞贝克系数，从而实现PEDOT:PSS/SWCNTs薄膜功率因数的最大提升。薄膜功率因数的最大提升。薄膜功率因数的最大提升。

【技术实现步骤摘要】
一种高热电性能的自立式PEDOT:PSS/SWCNTs复合柔性薄膜的制备方法


[0001]本专利技术属于柔性热电材料制备
，具体涉及一种高热电性能的自立式PEDOT:PSS/SWCNTs复合柔性薄膜的制备方法。

技术介绍

[0002]能源危机和环境污染是人类目前面临的主要挑战，全世界约90％的能源由化石燃料燃烧提供，然而只有一小部分可以得到有效利用，其余约60％～70％以废热的形式直接排放到环境中。热电材料可以利用材料内部载流子运动直接将热能转化为电能，从而实现能源自给，免维护和免排放，有效缓解传统能源消耗带来的压力。如今，随着微电子技术和多功能电子产品的发展，柔性热电材料在可穿戴与可植入电子产品领域表现出巨大的潜力。柔性热电材料可以利用较小的温差进行发电，除工业废热外，自然界中的光热和人体热能等均可作为其持续的绿色能量来源。其中，导电聚合物由于具有较低的热导率以及良好的柔韧性成为柔性热电材料领域的研究焦点。
[0003]与其他导电聚合物相比，聚3,4
‑
乙烯二氧噻吩(PEDOT)具有最高的热电性能。但由于水溶性绝缘聚苯乙烯磺酸盐(PSS)的引入，直接从PEDOT:PSS溶液中制备的原始PEDOT:PSS薄膜热电性能较低(电导率约为5.3S cm
‑1,塞贝克系数约为16.1μV K
‑1，功率因数约为0.14μW m
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‑2)，无法满足后续应用的需要。因此，利用无机填料的高塞贝克系数或者高电导率来提高PEDOT:PSS的热电性能是一种有效策略。单壁碳纳米管(SWCNT)由于其独特的一维纳米结构和优异的电学性能(理论功率因数约为700μW m
‑1K
‑2)而被广泛应用于聚合物热电复合材料的制备。
[0004]文献报道PEDOT:PSS/SWCNTs复合薄膜的形貌对热电性能有重要的影响，如陈光明课题组先后采用真空抽滤法、溶液浇铸法和化学氧化聚合法制备了具有亚微米蜂窝状多孔结构、平行层状结构和珊瑚状结构的PEDOT:PSS/SWCNTs复合柔性薄膜，其室温功率因数分别为20.6、8.67和19.00μW m
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‑2(Composites Science and Technology,2017,144,43
‑
50.；Composites Science and Technology,2021,208.)，但是制备具有较高功率因数的PEDOT:PSS/SWCNTs复合热电薄膜仍然是个挑战。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种高热电性能的自立式PEDOT:PSS/SWCNTs复合柔性薄膜的制备方法，解决PEDOT:PSS/SWCNTs薄膜的热电性能不高的问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]本专利技术公开了一种高热电性能的自立式PEDOT:PSS/SWCNTs复合柔性薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0008]1)将SWCNT粉末加入到无水乙醇中，配成均匀的分散液A；
[0009]2)将有机掺杂剂加入到PEDOT:PSS水溶液中，配成均匀的混合溶液B；
[0010]3)将步骤2)得到的混合溶液B与步骤1)中的分散液A混合，经搅拌、超声后配成混合溶液C；
[0011]4)将步骤3)得到的混合溶液C滴涂至玻璃基底上，烘干成薄膜；
[0012]5)将步骤4)所得薄膜浸泡于还原剂溶液中进行处理，再取出冲洗，干燥，得到自立式PEDOT:PSS/SWCNTs薄膜。
[0013]优选地，步骤1)中，SWCNT粉末的固定浓度范围为1～5mg/ml；步骤4)中，SWCNT在薄膜中所占质量比为60％。
[0014]优选地，步骤1)中，SWCNT粉末加入到无水乙醇中之后，搅拌0.5～2h，超声0.5～3h。
[0015]优选地，步骤2)中，所使用有机掺杂剂为乙二醇、甲酰胺、N,N
‑
二甲基甲酰胺或二甲基亚砜。
[0016]优选地，步骤2)中，在PEDOT:PSS水溶液中有机掺杂剂的体积分数为1％～20％，超声时间为0.5～3h。
[0017]优选地，步骤3)中，搅拌时间为1～12h，搅拌速度为100～1000rmp，超声时间为1～3h。
[0018]优选地，步骤4)中，混合溶液C滴涂至玻璃基底之前，对玻璃基底依次用洗涤剂、去离子水、丙酮和异丙醇清洗，之后干燥处理。
[0019]优选地，步骤4)中，烘干温度为50～80℃，烘干时间为6～24h。
[0020]优选地，步骤5)中，所使用还原剂是硼氢化钠、碳酸氢钠、亚硫酸钠、水合肼、四(二甲氨基)乙烯、硫代硫酸钠或L
‑
抗坏血酸的一种或多种；浸泡时间为0.1～2h。
[0021]优选地，步骤5)中，还原剂溶液浓度范围为0.01～2mol/L。
[0022]优选地，步骤5)中，冲洗用去离子水冲洗。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0024]本专利技术提供的一种高热电性能的自立式PEDOT:PSS/SWCNTs复合柔性薄膜的制备方法，采用掺杂有机极性溶剂以及还原剂后处理的方法提高PEDOT:PSS/SWCNTs复合薄膜的热电性能。通过优化掺杂的有机溶剂的种类、体积分数以及后处理溶剂的种类、浓度，采用滴涂法得到了导电性能更佳、功率因子更优的层状PEDOT:PSS/SWCNTs自支撑膜。首先，本方法通过有机极性溶剂的掺杂削弱了PEDOT与PSS链之间的库仑相互作用，从而促进PEDOT链的重排，能够有效提高PEDOT:PSS的电导率；其次，高电导率碳纳米管导电网络的存在为载流子的传输提供了额外的通道，导致更高的载流子迁移率，使得电导率提升至约2070.4S cm
‑1；最后，通过还原剂后处理可以降低PEDOT分子的氧化掺杂浓度，使得塞贝克系数提升至约37.6μV K
‑1，同时，互连的碳纳米管网络为有效的载流子传输提供足够的通道，从而补偿了还原处理对电子的恶化影响，电导率的降低不明显，从而达到调谐电导率和塞贝克系数的目的，使得功率因数提升至200～400μW m
‑1K
‑2。本专利技术采用滴涂法制备热电薄膜，并通过还原剂后处理进一步提高PEDOT:PSS/SWCNTs复合薄膜的热电性能，制备的自立式热电薄膜具有优异的柔性和较高的热电性能，可以实现柔性热电器件的组装设计。
[0025]进一步地，随着SWCNT负载含量的增大，PEDOT:PSS/SWCNTs复合薄膜的塞贝克系数呈现上升的趋势，电导率先上升后下降，在SWCNT负载含量为60wt％时，PEDOT:PSS/SWCNTs
复合薄膜的热电性能最高，相比其他负载含量的薄膜性能有很大程度的提升。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的SWCNT负载含量为60wt％PEDOT:PSS/SWCNTs复合柔性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高热电性能的自立式PEDOT:PSS/SWCNTs复合柔性薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将SWCNT粉末加入到无水乙醇中，配成均匀的分散液A；2)将有机掺杂剂加入到PEDOT:PSS水溶液中，配成均匀的混合溶液B；3)将步骤2)得到的混合溶液B与步骤1)中的分散液A混合，经搅拌、超声后配成混合溶液C；4)将步骤3)得到的混合溶液C滴涂至玻璃基底上，烘干成薄膜；5)将步骤4)所得薄膜浸泡于还原剂溶液中进行处理，再取出冲洗，干燥，得到自立式PEDOT:PSS/SWCNTs薄膜。2.如权利要求1所述的一种高热电性能的自立式PEDOT:PSS/SWCNTs复合柔性薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1)中，SWCNT粉末的固定浓度范围为1～5mg/ml；步骤4)中，SWCNT在薄膜中所占质量比为60％。3.如权利要求1所述的一种高热电性能的自立式PEDOT:PSS/SWCNTs复合柔性薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所使用有机掺杂剂为乙二醇、甲酰胺、N,N
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二甲基甲酰胺或二甲基亚砜。4.如权利要求1所述的一种高热电性能的自立式PEDOT:PSS/SWCNTs复合柔性薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2)中，在PEDOT:PSS水溶液中有机掺杂剂的体积分数为1％～20％，超声时间为0.5～3h。5.如权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张荔，夏斌杰，杨艳玲，刘星宇，张菁，许雨萌，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：