酸碱二次处理对聚(3，4-乙撑二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸热电性能的影响

摘要

近年来，由于环境及能源问题的突出，迫使越来越多的科学家致力于新能源材料的开发及应用。热电材料作为一种环境友好型绿色能源转换材料，可应用于发电和制冷领域，利用热电技术能直接实现热能和电能之间的相互转换，因而在不污染环境的条件下，实现废热的充分利用和能源的节约。导电高分子具有资源丰富、可加工性强、较低的热导率和良好的环境稳定性等优点，因此近年来，其作为一类新型的热电材料倍受关注。聚（3，4-乙撑二氧噻吩）∶聚苯乙烯磺酸(PEDOT∶PSS)具有较高的电导率、较低的热导率、良好的环境稳定性及其独特的“金属及非金属”性能，被认为是非常具有潜在价值的有机热电材料之一。因此PEDOT∶PSS热电性能的研究工作，具有十分重要的理论和现实意义。本文采用酸碱二次处理方法制备了PEDOT∶PSS薄膜及其复合材料，并对所得到的薄膜的热电性能进行了系统地测试和分析。　　1.选用不同浓度的草酸(OA)溶液在140C的加热板上对PEDOT∶PSS薄膜进行处理，得到PEDOT∶PSS/OA薄膜。热电性能测试表明，草酸溶液处理后的PEDOT∶PSS薄膜具有较高的电导率和稳定的Seebeck系数。草酸浓度达到0.8 M时，电导率最高达为392.8 S cm-1，对应的功率因子为9.7μW m-1 K-2;　　2.选择不同添加量的尿素对PEDOT∶PSS掺杂，得到不同尿素含量的PEDOT∶PSS/urea薄膜，得到的薄膜中，电导率最大值为63.1 S cm-1，同时Seebeck系数也存在一定幅度的提升，由14.47μV K-1提高到20.7μV K-1。SEM的结果表明，随着尿素含量的增加，PEDOT∶PSS表面形貌变得光滑的同时PEDOT发生团聚，致使电导率和Seebeck系数的同时提高。　　3.选用不同质量分数的尿素和二甲基亚砜(DMSO)同时对PEDOT∶PSS进行掺杂，对得到的PEDOT∶PSS/(urea+DMSO)薄膜进行热电性能测试结果表明:在电导率大幅度增加的同时Seebeck系数也略有提高，室温电导率和Seebeck系数的最大值分别为419 S cm-1和18.82μV K-1，功率因子最大为8.81μW m-1 K-2，相应ZT值为2.48×10-2。　　4.通过向PEDOT∶PSS水溶液中添加不同的酸、碱，调PEDOT∶PSS水溶液的pH值，考察pH值对电导率机制和热电性能的影响。选用盐酸、草酸、乙二胺、氢氧化钠水溶液、氨水来调节PEDOT∶PSS水溶液的pH值，并获得对应pH值下的薄膜。对PEDOT∶PSS薄膜的电导率和Seebeck系数进行了表征，结果表明酸性物质调节PEDOT∶PSS水分散体系的pH时，对PEDOT∶PSS的热电性能有着增强作用，碱性物质的调节可使PEDOT∶PSS的Seebeck提高四倍，而电导率则以1～3个数量级的程度降低。　　5.选取不同浓度的左旋樟脑磺酸掺杂(L-CSA)、混旋樟脑磺酸(DL-CSA)掺杂PEDOT∶PSS，制备了一些列PEDOT∶PSS/L-CSA、PEDOT∶PSS/DL-LSA分散体系。采用两种干燥处理方式对浇铸的PEDOT∶PSS混合体系干燥，得到一些列PEDOT∶PSS薄膜。分别考察不同的热处理方式以及物质自身性质对PEDOT∶PSS热电性能的影响。薄膜热电性能的表征结果表明:不同的热处理方式时，同一种物质对PEDOT∶PSS电导率和Seebeck系数的影响差别甚小;两种樟脑磺酸在两种不同热处理方式的条件下，左旋樟脑磺酸增加PEDOT∶PSS的热电性能与混旋樟脑磺酸比较，效果更明显。　　6.选用两种樟脑磺酸溶液对PEDOT∶PSS薄膜进行处理，得到PEDOT∶PSS/樟脑磺酸薄膜。得到的薄膜进行热电性能表征结果表明:室温下，两种酸溶液的处理均使PEDOT∶PSS的电导率提高了三个数量级，其中L-CSA处理后电导率最大值为417.1 S cm-1，DL-CSA处理后电导率高达644.7 S cm-1。在此基础上计算得到的功率因子最高为21.1μWm-1 K-2。　　PEDOT∶PSS薄膜热电性能的研究以及PEDOT∶PSS良好的稳定性表明:在未来有机热电领域中，PEDOT∶PSS将成为有机热电材料中非常具有发展前景、最有潜力的有机物质之一。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 聚(3，4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)

1．3 聚(3，4-乙撑二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)

1．3．1 掺杂后PEDOT：PSS的热电性能

1．3．2 聚(3，4-乙撑二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸／无机半导体复合材料

1．3．3 聚(3，4-乙撑二氧噻吩)：其他离子

1．4 有机热电材料的研究展望

1．5 论文工作的提出及主要研究内容

第2章 实验与仪器

2．1 主要试剂

2．2 基本仪器

2．3 热电性能的测试

2．3．1 电导率的测试

2．3．2 Seebeck系数的测定

2．3．3 热导率的测试

第3章 草酸溶液处理PEDOT：PSS薄膜的制备及热电性能

3．1 前言

3．2 草酸溶液处理PEDOT：PSS薄膜的制备

3．3 草酸二次处理PEDOT：PSS薄膜热电性能测试及分析

3．3．1 电导率

3．3．2 Seebeck系数

3．3．3 功率因子

3．3．4 热电优值

3．4 小结

第4章 尿素掺杂后PEDOT：PSS薄膜的热电性能

4．1 前言

4．2 尿素掺杂的PEDOT：PSS薄膜的制备及形貌表征

4．2．1 尿素掺杂的PEDOT：PSS薄膜的制备

4．2．2 形貌分析

4．3 尿素掺杂PEDOT：PSS薄膜热电性能测试及分析

4．3．1 电导率

4．3．2 Seebeck系数

4．3．3 功率因子

4．3．4 热电优值

4．4 小结

第5章 尿素、DMSO掺杂后PEDOT：PSS薄膜的热电性能

5．1 前言

5．2 尿素、DMSO掺杂的PEDOT：PSS薄膜的制备及形貌表征

5．2．1 尿素、DMSO掺杂的PEDOT：PSS薄膜的制备

5．2．2 形貌分析

5．3 尿素、DMSO掺杂PEDOT：PSS薄膜热电性能测试及分析

5．3．1 电导率

5．3．2 Seebeck系数

5．3．3 功率因子

5．3．4 热电优值

5．4 小结

第6章 pH调节对PEDOT：PSS薄膜热电性能的影响

6．1 前言

6．2 pH调节的PEDOT：PSS薄膜的制备及性能表征

6．2．1 pH调节的PEDOT：PSS薄膜的制备

6．2．2 pH调节的PEDOT：PSS薄膜的性能表征

6．3 小结

第7章 樟脑磺酸掺杂的PEDOT：PSS薄膜的热电性能

7．1 前言

7．2 樟脑磺酸掺杂的PEDOT：PSS薄膜的的制备及形貌分析

7．2．1 薄膜的制备

7．2．2 薄膜的形貌表征

7．3 樟脑磺酸掺杂的PEDOT：PSS薄膜的热电测试及分析

7．3．1 电导率

7．3．2 Seebeck系数

7．3．3 功率因子

7．4 小结

第8章 樟脑磺酸溶液处理对PEDOT：PSS薄膜热电性能的影响

8．1 前言

8．2 樟脑磺酸溶液处理PEDOT：PSS薄膜的制备及形貌表征

8．2．1 薄膜的制备

8．2．2 薄膜的形貌表征

8．3 樟脑磺酸溶液处理PEDOT：PSS薄膜的热电测试及分析

8．3．1 电导率

8．3．2 Seebeck系数

8．3．3 功率因子和热电优值

8．4 小结

第9章 结论

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢