Nature子刊：解思深院士-網狀碳納米管結構制作高性能緊湊柔性熱電模塊

【引言】

熱電模塊由幾個熱電偶組成，能夠直接將熱能轉化為電能，因而在廢熱利用領域成為研究熱點。目前，柔性p型熱電材料室溫下的熱電功率因子已經達到2000 mWm^-1?K^-2，性能可與無機熱電材料媲美，然而高性能、高穩定的柔性n型熱電材料卻很少，成為熱電模塊發展的阻礙。

【成果簡介】

近日，中科院物理所解思深院士與周維亞研究員（共同通訊作者）等人在Nature Communications上發表了文章"High-performance and compact-designed flexible?thermoelectric modules enabled by a reticulate?carbon nanotube architecture"。研究者們基于單壁碳納米管（SWNT）連續網狀結構研制出具有優異熱電性能的柔性n型薄膜，用聚乙烯亞胺的乙醇溶液（PEI）滴涂，可將未摻雜的n型SWNT薄膜與該n型薄膜很好的匹配，在此基礎上，他們設計了一種不同于傳統的π型構型的緊湊式構型，這種構型的柔性熱電模塊能夠充分整合p、n型碳納米管薄膜的熱電性能達到最優化。這項研究成果為柔性熱電模塊走向商業化開啟了大門。

【圖文導讀】

圖1. n型柔性薄膜和緊湊型熱電模塊制備過程示意圖

(a) n型單壁碳納米管薄膜制備過程

(b) 用碳納米管分散溶液制備用于比較的n型碳納米管巴基紙?

(c) 利用大面積連續合成碳納米管薄膜和局部摻雜技術制備新型配置、緊湊高效的柔性熱電模塊

圖2. 熱電性能和穩定性

(a)?電導率和Seebeck系數實驗測量值

(b) 室溫下未摻雜和摻雜的SWNT薄膜的熱電功率因子計算值。摻雜劑為PEI，濃度為0.01 wt.%~?5wt.%

(c) 摻雜1 wt.%?PEI的SWNT薄膜在空氣中未封裝的長期穩定性測試?

(d) 目前最新研究的柔性n型熱電材料和本研究成果的熱電功率因子對比

圖3. 微觀形貌表征

(a–c) SWNT薄膜SEM圖像?????????? (d–f) SWNT薄膜AFM圖像?

(a,d) 未摻雜?????????????????????????????????????(b,e) 摻雜0.5wt.% PEI???????????????????? (c,f)?摻雜?1 wt.% PEI

圖4. 光譜圖

(a) 未摻雜與摻雜的SWNT薄膜歸一化吸收光譜圖

(b)摻雜1 wt.% PEI?的SWNT薄膜Raman歸一化光譜圖

黑線和紅線分別為用514nm 激光激發前后的Raman歸一化光譜圖

(c) 徑向呼吸振動模式拉曼光譜圖

圖5. 緊湊型TE模塊的圖片和性能

(a) 通過多層疊加CNT膜并用乙醇致密制備大面積厚CNT膜

(b) 由三對連續p-n對組成的CNT帶條

(c) 尺寸為16mm×10mm×0.15mm的柔性緊湊型熱電模塊

(d) 熱電模塊的柔性展示

(e) 模塊兩端之間的不同穩定溫差產生的電壓

(f) 模塊在熱端溫度為330K，溫差為27.5 K時的電壓-電流曲線和功率-電流曲線

圖6. 制備的熱電模塊的使用演示

(a–c) 用手捏住熱電模塊的一端迅速產生約3mV電壓

(d–f) 將40℃水倒入燒杯一直到碰到模塊下邊緣為止，迅速產生約4.5mV電壓，室溫約27℃

【小結】

該研究以具有優異導電性能和高Seebeck系數的碳納米管連續網絡為基質材料，以PEI溶液滴涂于乙醇中的方法快速制得n型柔性薄膜，用連續制備的碳納米管薄膜和局部摻雜技術研發了一種緊湊式柔性熱電模塊，這種輕便、性能優異的熱電模塊在未來便攜式柔性熱電模塊和傳感領域有巨大的應用潛力，同時為柔性熱電模塊的工業化生產創造了可能性。

文獻鏈接：High-performance and compact-designed flexible?thermoelectric modules enabled by a reticulate?carbon nanotube architecture（Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/ncomms14886）

本文由材料人編輯部電子電工學術組zzzlx整理編譯

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