中科院化學所陳光明副研究員在聚合物複合熱電材料研究取得系列進展

熱電材料是一類基於固體內部載流子運動實現熱能與電能直接相互轉換的能源材料，在廢熱或低品質熱的發電與利用、局部製冷和感測等領域具有廣泛的應用。長期以來，有機聚合物及其複合熱電材料的研究進展緩慢，與無機熱電材料形成鮮明對比。近年來，聚合物複合熱電材料取得了一些重要進展，引起了人們的極大興趣。

在國家自然科學基金委和中科院青促會的資助下，中科院化學所陳光明副研究員與青島科技大學、國科大和國家納米中心等單位合作，在聚合物複合熱電材料領域取得了一系列研究進展，主要結果如下：

1．通過無機碳納米粒子表面包覆導電聚合物提高熱電性能

利用導電聚合物與碳納米粒子的界面p-p相互作用，誘導苯式-醌式構象轉變，形成聚合物有序結構，增強界面能量過濾效應，從而解決了電導率和Seebeck係數難以同時提高的難題，製備了多種導電聚合物/碳納米粒子複合熱電材料。例如：首次採用原位聚合法製備了聚（3,4-乙撐二氧噻吩）（PEDOT）/石墨烯複合熱電材料（J. Mater. Chem. A,2013, 1, 12395，期刊前封面)，並進而發展了多種製備方法進一步提高其熱電性能（Chem.Asian J.,2015, 10, 1225）；系統研究了PSS對PEDOT/CNT複合材料製備和熱電性能的影響（Chem.Asian J.,2015, 10, 149,VIP論文）；得到了具有超級柔性、可拉伸性能的大面積聚吡咯（PPy）/CNT複合材料薄膜（J. Mater. Chem. C,2016,4, 526，ESI高被引論文）。

2．通過導電聚合物微納米結構調控制備熱電材料

系統研究了PEDOT微納米結構演變（包括納米線、納米管、納米棒、和納米球等）及其熱電性能與機理（J. Mater. Chem. A, 2015, 3,20896）；發現PPy的微納米結構同樣顯著影響了其熱電性能（Mater. Chem. Front., 2017, 1, 380）；對導電聚合物微納米結構進行多種後處理，可進一步提高其熱電性能（J. Mater. Chem. C, 2017, 5,47）。

通過反相乳液聚合方法，構築了PPy納米線包覆在石墨烯表面的三維結構（J. Mater. Chem. C, 2015, 3, 1649,Top Picks Collection）；製備了具有層狀結構的PPy納米線/SWCNT（Compos. Sci. Technol., 2016,129, 130）和具有珊瑚狀形貌的PEDOT/SWCNT複合熱電材料（Compos. Sci. Technol., 2017,144, 43）。

3. 新型席夫鹼聚合物/CNT複合熱電材料

製備了新型席夫鹼聚合物/CNT複合熱電材料，並可以通過製備方法、螯合過渡金屬離子等多種方式調控複合材料的熱電性能（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 11299, Hot Paper）。

4.石墨烯/SWCNT複合多功能氣凝膠

採用多次90℃還原-冰模板乾燥的簡便方法，製備了石墨烯/SWCNT複合多功能氣凝膠。該氣凝膠不僅質輕、高彈性，而且具有優異的熱電性能（ZT值約8.03′10-3）和高效吸收有機溶劑等多功能性質（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 在線，DOI: 10.1021/acsami.7b04938）。

5. 有機n-型熱電材料

採用DETA還原-CaH2處理過程，使原始的p-型SWCNT轉變為n-型SWCNT，在此基礎上，製備的熱電模塊其最大輸出功率為649 nW（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 14187）。合成了氨基取代苝醯亞胺衍生物PDIN或NDIN，與SWCNT複合後，得到了具有優異空氣穩定性和熱穩定性的n-型複合熱電材料。其功率因子達到135±14 μW m-1K-2，在此基礎上製得的熱電模塊輸出功率（DT= 50℃）可達3.3μW（ACS Nano,2017, 11, 5746）。

6. 應期刊主編邀請

發表綜述Compos. Sci. Technol., 2016,124, 52（ESI高被引論文）和J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 4350。

作者簡介：陳光明，1994年於北京理工大學獲學士學位，1997年和2000年在中科院化學所分別獲碩士和博士學位，2000年至2002年在日本國家材料科學研究所（NIMS）作JSPS Fellow，2002年9月回中科院化學所工作並被聘為副研究員至今。近期的主要研究領域是聚合物複合熱電材料和聚合物納米複合水凝膠。已發表期刊論文110餘篇（其中通訊/第一作者3以上期刊論文49篇），在Encyclopedia of Nanoscienceand Nanotechnology出版英文專著1章。獲得北京市科技新星計劃、首屆中科院王寬誠教育基金會盧嘉錫青年人才獎、北京市科學技術獎二等獎和中科院青促會會員與優秀會員等獎勵。目前擔任英國皇家化學會RSC Advances期刊副主編。

來源：高分子科學前沿

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