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國科大郭存悅/深大陳光明、杜春雨 CEJ：有機碳化修飾碳納米管及其高溫穩(wěn)定熱電性能

2025-02-14 來源：高分子科技

熱電材料能夠?qū)⒌推肺粺崮芑驈U熱直接轉化為電能，其中有機/無機復合熱電材料近年來發(fā)展迅猛，在可穿戴電子、人工智能、火災預警、物聯(lián)網(wǎng)和智慧建筑等領域具有廣泛的應用前景。然而，此類材料難于耐高溫，或者存在高溫下性能退化等問題，限制了其在極端環(huán)境條件中的應用。

近日，國科大郭存悅與深圳大學陳光明課題組合作研究，采用有機碳化修飾的方法制備了具有高溫穩(wěn)定熱電性能的碳納米管基復合材料。該研究利用聚多巴胺（PDA）作為連接劑，將碳納米管與碳化葡萄糖結合，形成了一層保護性碳化層（圖1）。該保護層增強了碳納米管表面的電子傳輸特性，并顯著提高了材料的耐高溫性能，從而提升了其高溫熱電穩(wěn)定性。該復合材料在513 K下表現(xiàn)出優(yōu)異的電導率（101.6 ± 40.1 S cm?1）和Seebeck系數(shù)（48.5 ± 1.6 μV K?1），功率因子為238.5 ± 11.2 μW m?1 K?2。在310 K溫差下，功率密度達到0.156 μW cm?2 K?2，顯著優(yōu)于多數(shù)報道的有機-無機復合材料。

圖1.碳納米管復合材料的制備過程示意圖

圖2. 碳納米管復合材料的結構表征

如圖2所示，SEM和TEM的復合材料的微觀結構分析發(fā)現(xiàn)碳化葡萄糖在碳納米管表面形成了致密的保護層，有效減少了高溫下的氧化缺陷。FTIR光譜和拉曼光譜分析進一步證實了碳化層的形成及其對材料熱電性能的提升作用。XPS能譜分析表明碳化層顯著降低了碳納米管在高溫下的氧化程度，從而提高了材料的熱電穩(wěn)定性。

圖3. 碳納米管復合材料的熱電性能

圖4. 碳納米管復合材料的高溫熱電性能及機制分析

圖3和圖4結果表明：復合材料具有優(yōu)異的熱電性能。在513 K下，復合材料的功率因子達到238.5 ± 11.2 μW m?1 K?2。相比之下，未經(jīng)修飾的碳納米管在相同溫度下的熱電性能顯著降低。該復合材料的優(yōu)異性能歸因于碳化層的保護作用，以及其在高溫下形成的納米碳結構對載流子傳輸?shù)拇龠M作用。

圖5. 碳納米管復合材料組裝的TEG性能

進而，制備了基于該復合材料的熱電發(fā)電機（TEG）。圖5表明，在310 K溫差下，TEG輸出功率密度為0.154 μW cm?2 K?2，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱電轉換性能。該TEG在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，適用于極端環(huán)境中的自供電應用。
上述研究成果以"Organic carbonization modification of carbon nanotubes with stable thermoelectric performance at high temperature"為題在線發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。該論文的共同第一作者為霍炳臣和劉爽，通訊作者為國科大郭存悅教授、深圳大學陳光明教授和杜春雨副研究員。該研究得到了國家自然科學基金的資助，以及深圳大學麗湖校區(qū)儀器分析中心和國家納米科學中心王漢夫副研究員在SEM測試和導熱性能方面的幫助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160213

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（責任編輯：xu）

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