一种高性能P型离子热电材料、热电电池及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种高性能P型离子热电材料、热电电池及其制备方法与应用，属于热电材料技术领域。为解决现有热电材料成本高的问题，本发明专利技术提供了一种高性能P型离子热电材料的制备方法，去除天然竹片中的木质素和半纤维素，漂白清洗后得到竹纤维材料；对竹纤维材料进行定向氨基化处理，得到P型离子热电材料。本发明专利技术提供了一种低成本的高性能可持续的P型离子热电材料，通过引入带正电荷的离子传输通道来赋予FeCl3/FeCl2电解质溶液离子快速传输的能力并保持良好的热电性能，所构建的热电材料在具有持续稳定电压输出的同时，还具备较大的输出功率和电流密度，为制备高输出性能的P型离子热电材料提供了新的途径。电材料提供了新的途径。电材料提供了新的途径。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能P型离子热电材料、热电电池及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于热电材料
，尤其涉及一种高性能P型离子热电材料、热电电池及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]能源危机是现代社会最关键的问题之一，这就导致研究人员不得不更加关注绿色和可再生能源。基于热电效应的热电材料可以通过内部载流子迁移将废热能或低品位热能直接转化为电能，而不会产生噪音或有害气体，这就为人类提供了一种有前途的可持续能源解决方案。
[0003]基于离子热电材料的热电电池由于其良好的热电性能，近年来受到关注。热电电池的主要优点是其热功率系数高，约为1～20mV
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K
‑1，比传统的固体半导体热电电池高一个数量级。高热功率对于热电电池在有限温差下实现高电压至关重要。近年来，已开发出各种新型高热功率的热电电池系统。然而，单节电池的电压输出(毫伏级)仍然有限。在实际应用中，通过串联连接N型和P型电池(相应的氧化还原对具有负塞贝克系数和正塞贝克系数)可以显着增加电位差。然而，热电电池系统可能的氧化还原物质数量有限，阻碍了这些设备串联堆叠的优化。因此，开发单个高性能的P型离子热电材料对于实现大规模实际应用非常重要。
[0004]评估热电电池的性能优异，连续输出电压(V)，最大瞬时输出功率密度(Pmax)、和长期循环发电是离子热电电池的关键性能因素。通常情况下，最大输出功率Pmax＝VocIsc/4，这就导致最大的输出功率受限于较低的Isc。尽管可以通过在离子电池中使用高比表面积的碳基电极，包括碳纳米管复合材料、活性炭布和碳气凝胶片，来有效提高输出电流密度，从而增加输出功率密度。但是这些材料的成本较高，对热电池的提升也有限，还是无法满足实际应用的需求。

技术实现思路

[0005]为解决现有热电材料成本高的问题，本专利技术提供了一种高性能P型离子热电材料、热电电池及其制备方法与应用。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]一种高性能P型离子热电材料的制备方法，步骤如下：
[0008]步骤一、竹纤维材料的制备：将天然竹片置于NaOH和Na2SO3混合溶液中，在恒定温度下抽提处理，去除天然竹片中的木质素和半纤维素，然后用沸腾的H2O2溶液浸泡，清洗后得到竹纤维材料；
[0009]步骤二、阳离子
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纤维素纳米纤维材料的制备：将步骤一所得竹纤维材料置于NaOH溶液中真空浸渍3～6次，配制含有CHPTAC和NaOH的改性剂混合溶液，搅拌状态下将所述改性剂混合溶液滴入浸渍有所述竹纤维材料的NaOH溶液中，一定温度下搅拌完成定向氨基化处理，5倍去离子水稀释反应混合物以除去残留的试剂，得到阳离子
‑
纤维素纳米纤维材料
即P型离子热电材料。
[0010]进一步的，步骤一所述天然竹片的质量为0.7～1.2g；所述NaOH和Na2SO3混合溶液中NaOH的浓度为4～6mol
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‑1、Na2SO3的浓度为0.3～0.5mol
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L
‑1；所述天然竹片与NaOH和Na2SO3混合溶液中NaOH的质量比为1:5～1:6。
[0011]进一步的，步骤一所述抽提处理的恒定温度为100～125℃，抽提处理时间为8～10h；所述H2O2溶液的浓度为6～18wt％。
[0012]进一步的，步骤二所述真空浸渍用NaOH溶液的浓度为1～3mol
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‑1；所述真空浸渍为200Pa条件下每次浸渍30～50min。
[0013]进一步的，步骤二所述改性剂混合溶液中CHPTAC的浓度为0.8～2.0mol
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‑1，所述CHPTAC和NaOH的摩尔比为1:0.5～1:5，所述竹纤维材料与改性剂混合溶液中CHPTAC的质量比为1:2～1:6。
[0014]进一步的，步骤二所述定向氨基化处理的温度为50～80℃，处理时间为8～9h。
[0015]本专利技术提供的高性能P型离子热电材料的制备方法所制备的P型离子热电材料。
[0016]一种热电电池的制备方法，将本专利技术制备的P型离子热电材料两端加上镍片电极，使用聚乙烯封装，注入配置好的氯化铁/氯化亚铁溶液，用环氧乙烷封装得到热电电池。
[0017]本专利技术提供的热电电池的制备方法所制备的热电电池。
[0018]本专利技术制备的热电电池在集热系统、智能温度检测和热电传感领域的应用。
[0019]本专利技术的有益效果：
[0020]本专利技术将传统的FeCl3/FeCl2电解液与基于天然竹材的绿色环保、可持续、可生物降解、低成本和易于生产的特性相结合，找到了一种低成本的高性能可持续的离子热电材料。本专利技术通过化学抽提和阳离子接枝改性的组合制造了一种具有高速离子传输的直通孔道结构，通过引入带正电荷的离子传输通道来赋予FeCl3/FeCl2电解质溶液离子快速传输的能力并保持良好的热电性能，所构建的热电材料在具有持续稳定电压输出的同时，还具备较大的输出功率和电流密度，P型FeCl3/FeCl2电解质溶液的热功率和输出功率密度在带正电荷的纤维素纳米纤维中被显著提高。为制备高输出性能的P型离子热电材料提供了新的途径。
[0021]本专利技术基于带电荷的纤维素纳米纤维素离子热电材料中存在离子
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纤维素相互作用和离子选择性传输作用，两者可以促进离子对的解离，并导致热梯度下的高选择性离子扩散。因此，FeCl3/FeCl2电解液在室温下表现出5.32mVK
‑1的高热功率和23.85S/m的高离子电导率。这种离子选择性竹纤维素纳米纤维在离子热电材料时代的广阔应用前景，对P型离子热电材料热电性能的调控和设计具有指导意义。基于竹材的N型离子热电材料制备的热电电池在集热系统，包括智能温度检测、热电传感等领域上具有广阔的应用前景。
附图说明
[0022]图1为天然竹片和实施例1步骤一得到的竹纤维材料的实物图；
[0023]图2为天然竹片的SEM照片；
[0024]图3为实施例1步骤一得到的竹纤维材料的SEM照片；
[0025]图4为天然竹片和实施例1制备的阳离子
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纤维素纳米纤维材料的红外光谱对比图；
[0026]图5为天然竹片和实施例1制备的阳离子
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纤维素纳米纤维材料的Zeta电位对比图；
[0027]图6为天然竹片和浸泡FeCl3/FeCl2电解液阳离子
‑
纤维素纳米纤维的XPS对比图；
[0028]图7为不同材料浸泡在不同电解质溶液中的离子电导率随着浓度变化折线图；
[0029]图8为FeCl3/FeCl2电解液在不同CHPTAC改性剂用量处理下的阳离子
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纤维素纳米纤维中的热功率变化图；
[0030]图9为不同温差下实施例7制备的热电电池的电流密度
‑
输出电压曲线图；
[0031]图10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能P型离子热电材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、竹纤维材料的制备：将天然竹片置于NaOH和Na2SO3混合溶液中，在恒定温度下抽提处理，去除天然竹片中的木质素和半纤维素，然后用沸腾的H2O2溶液浸泡，清洗后得到竹纤维材料；步骤二、阳离子
‑
纤维素纳米纤维材料的制备：将步骤一所得竹纤维材料置于NaOH溶液中真空浸渍3～6次，配制含有CHPTAC和NaOH的改性剂混合溶液，搅拌状态下将所述改性剂混合溶液滴入浸渍有所述竹纤维材料的NaOH溶液中，一定温度下搅拌完成定向氨基化处理，5倍去离子水稀释反应混合物以除去残留的试剂，得到阳离子
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纤维素纳米纤维材料即P型离子热电材料。2.根据权利要求1所述一种高性能P型离子热电材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述天然竹片的质量为0.7～1.2g；所述NaOH和Na2SO3混合溶液中NaOH的浓度为4～6mol
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‑1、Na2SO3的浓度为0.3～0.5mol
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‑1；所述天然竹片与NaOH和Na2SO3混合溶液中NaOH的质量比为1:5～1:6。3.根据权利要求1或2所述一种高性能P型离子热电材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述抽提处理的恒定温度为100～125℃，抽提处理时间为8～10h；所述H2O2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志国，段佳旻，胡锦东，虞游，许怡萍，罗德浩，李宇葳，
申请(专利权)人：东北林业大学，
类型：发明
国别省市：