Adv. Mater.：瘋狂的納米復合材料-給熱電材料帶來意外的驚喜

【引言】

熱電材料可將熱與電進行相互轉換的特性吸引了越來越多的研究目光，因熱電材料在余熱處理，光熱利用以及能源產生和制冷技術等等都有著潛在的應用。對于評判熱電材料性能高低的兩個關鍵參數是：（1）熱電優值（ZT= S²σT/κ），反映材料的能量轉換效率；（2）功率系數（PF=S²σ），反映了最大輸出功率。S為賽貝克系數，σ為電導率，κ為聲子和電子的熱導率總和。

目前常用，研究較多的主要是一些無機熱電材料，比如Bi2Te3、PbTe、SiGe，但這類材料的不足之處在于昂貴、稀有、毒性、質脆及延展性差等。有機熱電材料相對而言質輕，制備成本低，還能用于一些柔性設備中。但主要的問題則是其電導率低，因而在提高PF和ZT值上還有著很大的挑戰。為扭轉局勢，解決這些缺點，有機-無機熱電納米復合材料（TENCs）應運而生，成為新一代熱電材料研究點。這種設計主要是想將高電導率的無機材料和低熱導率、合理的分子設計及機械柔性的有機材料結合起來，獲得高性能的熱電材料。

【成果簡介】

復旦大學的梁子騏教授，同濟大學的周俊研究員和美國加州大學圣巴巴拉分校的Guillermo C. Bazan（共同通訊作者）等人通過溶液法向絕緣的聚偏二氟乙烯（PVDF）中植入Ni納米線，獲得高度柔性的n型熱電納米復合材料。由于Ni組分的存在，這些復合材料表現出電導率和賽貝克系數異常的去耦性。Ni含量80 wt%的納米復合材料在380K下可實現最大功率系數220 W m^-1 K^-2，ZT值則可達到0.15。

【圖文導讀】

圖一、Ni/PVDF的形貌表征

(a) Ni/PVDF TENC薄膜的照片

(b-f) 不同Ni NWs含量的NiPVDF TENCs的SEM圖。Ni NWs由紅色箭頭標示出。

圖二、不同Ni NWs含量的NiPVDF TENCs的XRD圖譜

隨著Ni NWs含量的增加，XRD圖譜中可看見Ni的特征峰的強度不斷增加，同時未出現導致材料電導率降低的NiO特征峰。

圖三、室溫下隨Ni含量變化的Ni/PVDF TENCs的熱電性

(a,b) 隨Ni組分含量變化的平均電導率（a-三角形圖標），賽貝克系數（a-方形圖標）和功率系數（b-圓形圖標）。每個點代表的是實驗所得數據，a圖中的紅線是根據模擬結果得到的擬合線。b圖中的虛線為指示線。

圖四、Ni(80wt%)/PVDF TENCs隨T變化的熱電參數

(a) 電導率 ? ? ? ? ? ? ??(b) 賽貝克系數

(c) 功率系數 ? ? ? ? ? ?[注]：點為實測數據，線為相對應的擬合結果。

圖五、異面Ni(80wt%)/PVDF TENCs隨溫度變化的熱導率

室溫下，Ni(80wt%)/PVDF TENCs的平均熱導率κ在0.55?W m^-1 K^-1，且在整個溫度測試范圍內也并無多大改變，較Ni（90W m^-1 K^-1）要低很多。

【小結】

不經過摻雜處理，成功制備出柔性，不變形的n型TENCs—Ni NWs/PVDF是這項研究的一大亮點。當Ni納米線含量從20 wt%增到80 wt%，納米復合材料的電導率得到顯著提高，從15提高到4701 S cm^-1。同時，處理的賽貝克系數和功率系數也都得到很大的提高。證實將兩種各自熱電性都不好的絕緣聚合物和無機金屬結合起來，可產生意想不到的效果，給納米復合材料帶來杰出的熱電性。

文獻鏈接：Bendable n-Type Metallic Nanocomposites with Large Thermoelectric Power Factor（Advan. Mater.，2016，DOI：10.1002/adma.201604752）

本文由材料人編輯部電子電工學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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