新加坡國立大學Advancd Energy Materials:具有超高離子塞貝克系數和熱電性能的柔性準固態離子液體凝膠

biotech 4年前 (2019-08-01) 5704瀏覽

【引言】

地球上的熱能很豐富，然而很大一部分熱能都以廢熱的形式散發到環境中，顯然收集并利用廢熱對于實現可持續發展具有重要意義。目前已有包括有機朗肯循環、熱電化學電池以及熱電發電機等技術可將熱量轉化為電能，但是只有熱電發電機技術才能有效利用低等級的熱量。熱電發電機的熱電轉換效率取決于熱電材料的優值系數（ZT）。電子導體類熱電材料往往具有高導電性，但他們的塞貝克系數通常遠小于1 mV K-1。此外，基于電子導體的熱電系統較為復雜，顯著提高了制造和維護成本，使得利用電子導體來收集熱量是一個巨大的挑戰。與電子導體相比，以往離子導體由于熱電轉換較差而受到關注較少。雖然離子導體的塞貝克系數可以比電子導體高幾個數量級，但離子導體的ZT值通常小于0.1，主要是由于其較低的離子電導率。因此，探索具有高塞貝克系數和高ZT值的材料對于實現高效、低成本的熱電轉換是極其重要的。

【成果簡介】

近日，新加坡國立大學歐陽建勇教授（通訊作者）課題組報道了由聚（偏二氟乙烯共六氟丙烯）（PVDF-HFP）制得的環境友好、柔性準固態離子液體凝膠，且該離子液體凝膠具有超高離子塞貝克系數（26.1 mV K-1）、高離子電導率（6.7 mS cm-1）和低熱導率（0.176 W m-1 K-1）。這是迄今為止在電子和離子熱電材料中觀察到的最高的塞貝克系數。 研究表明，超高塞貝克系數與PVDF-HFP和離子液體之間的離子-偶極相互作用有關。此外，該離子凝膠在離子型熱電電容器中的應用也被證明可以將間歇性熱量轉換為電能。該成果以題為" Flexible Quasi-Solid State Ionogels with Remarkable Seebeck Coefficient and High Thermoelectric Properties "發表在國際著名期刊Advanced Energy Materials上。

【圖文導讀】

圖1 離子液體的化學結構及離子液體凝膠的熱電表征

(a) 離子液體的化學結構（EMIM:DCA、EMIM:TFSI、BMIM:BF4和聚合物PVDF-HFP）；

(b) EMIM:DCA/PVDF-HFP離子液體凝膠（EMIM:DCA負載量為50 wt%）薄膜照片；

(c) EMIM:DCA、EMIM:TFSI和BMIM：BF4負載量為50 wt%的離子液體凝膠的阻抗圖；

(d) EMIM:DCA、EMIM:TFSI和BMIM：BF4負載量為50 wt%的離子液體凝膠的離子電導率和離子塞貝克系數。

圖2 離子液體凝膠性質與離子液體含量的關系

(a) 離子電導率和離子塞貝克系數與離子液體凝膠中EMIM:DCA負載量的關系圖；

(b) 熱導率與離子液體凝膠中EMIM:DCA負載量的關系圖；

(c) 熱電優值與離子液體凝膠中EMIM:DCA負載量的關系圖。

圖3 不同離子液體凝膠的FTIR光譜及其離子塞貝克系數

(a) PVDF-HFP和含有不同離子液體的凝膠的FTIR透射光譜；

(b) PVDF-HFP、 EMIM:DCA和不同負載量的PVDF-HFP/EMIM:DCA離子凝膠的FTIR透射光譜；

(c) 在各種聚合物中負載具有80wt% EMIM: DCA得到離子凝膠的的離子塞貝克系數。

圖4 離子型熱電電容器工作原理及性能測試

(a) 離子型熱電電容器工作原理的示意圖；

(b) 利用50 wt%和80wt%IL負載量的EMIM:DCA/PVDF-HFP離子凝膠和銀電極連接離子熱電容器和外部負荷的電壓曲線；

(c) 使用銀或單壁碳納米管電極連接離子熱電電容器和外部負荷在正壓工作時的電壓曲線；

(d) 使用銀或單壁碳納米管電極連接離子熱電電容器和外部負荷在負壓工作時的電壓曲線；

(e) 假設高溫處為375 K、低溫處為275 K，傳統熱電發電機和離子熱電電容器相對于優值系數的熱電轉換效率。

【小結】

本文中，作者報道了由EMIM:DCA和PVDF-HFP制得的準固態離子液體凝膠，其可以表現出超高的塞貝克系數（可高達26.1 mV K-1），高離子塞貝克系數歸因于離子-離子相互作用以及離子和PVDF-HFP之間的相互作用。此外，該離子凝膠可具有6.7 mS cm-1的高離子電導率和0.176 W m-1K-1的低導熱率。因此，其熱電優值可以高達0.75。研究還表明，離子液體凝膠可用于離子熱電電容器中進行熱電轉換。

文獻鏈接：Flexible Quasi-Solid State Ionogels with Remarkable Seebeck Coefficient and High Thermoelectric Properties?(Adv. Energy Mater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201901085)

【團隊介紹】

新加坡國立大學歐陽建勇團隊長期致力于柔性電子材料的研究。主要領域涵蓋導電高分子，有機電子熱電材料，離子熱電材料，可穿戴電子材料與器件， 生物電子學，有機太陽能電池, 染料敏化太陽能電池以及無機-有機鈣鈦礦太陽能器件等。

團隊發明了許多提高材料和器件性能的方法。主要成果包括多次刷新可加工導電高分子的電導率和熱電性能的世界記錄，得到了在電子與離子熱電材料的世界最高塞貝克系數，觀察到生物相容導電高分子的世界最高電導率，發明了可以在水中工作的應變傳感器，和用碳納米管，石墨烯或是碳納米管與石墨烯的復合物作為對電極的染料敏化太陽能電池效率的世界記錄。

【相關領域文獻推薦】

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