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

2025-02-14 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：熱電發(fā)電機(jī) 有機(jī)碳化碳納米管高溫穩(wěn)定

熱電材料能夠?qū)⒌推肺粺崮芑驈U熱直接轉(zhuǎn)化為電能，其中有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合熱電材料近年來(lái)發(fā)展迅猛，在可穿戴電子、人工智能、火災(zāi)預(yù)警、物聯(lián)網(wǎng)和智慧建筑等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(wèn)題，限制了其在極端環(huán)境條件中的應(yīng)用。

近日，國(guó)科大郭存悅與深圳大學(xué)陳光明課題組合作研究，采用有機(jī)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(fù)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(jié)合，形成了一層保護(hù)性碳化層（圖1）。該保護(hù)層增強(qiáng)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?zé)犭姺€(wěn)定性。該復(fù)合材料在513 K下表現(xiàn)出優(yōu)異的電導(dǎo)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(dá)到0.156 μW cm?2 K?2，顯著優(yōu)于多數(shù)報(bào)道的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料。

圖1.碳納米管復(fù)合材料的制備過(guò)程示意圖

圖2. 碳納米管復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征

如圖2所示，SEM和TEM的復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)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(hù)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(jìn)一步證實(shí)了碳化層的形成及其對(duì)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(fù)合材料的熱電性能

圖4. 碳納米管復(fù)合材料的高溫?zé)犭娦阅芗皺C(jī)制分析

圖3和圖4結(jié)果表明：復(fù)合材料具有優(yōu)異的熱電性能。在513 K下，復(fù)合材料的功率因子達(dá)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(fù)合材料的優(yōu)異性能歸因于碳化層的保護(hù)作用，以及其在高溫下形成的納米碳結(jié)構(gòu)對(duì)載流子傳輸?shù)拇龠M(jìn)作用。

圖5. 碳納米管復(fù)合材料組裝的TEG性能

進(jìn)而，制備了基于該復(fù)合材料的熱電發(fā)電機(jī)（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(zhuǎn)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(yīng)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(guó)科大郭存悅教授、深圳大學(xué)陳光明教授和杜春雨副研究員。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，以及深圳大學(xué)麗湖校區(qū)儀器分析中心和國(guó)家納米科學(xué)中心王漢夫副研究員在SEM測(cè)試和導(dǎo)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(zé)任編輯：xu）

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