Adv. Mater.：疯狂的纳米复合材料-给热电材料带来意外的惊喜

【引言】

热电材料可将热与电进行相互转换的特性吸引了越来越多的研究目光，因热电材料在余热处理，光热利用以及能源产生和制冷技术等等都有着潜在的应用。对于评判热电材料性能高低的两个关键参数是：（1）热电优值（ZT= S²σT/κ），反映材料的能量转换效率；（2）功率系数（PF=S²σ），反映了最大输出功率。S为赛贝克系数，σ为电导率，κ为声子和电子的热导率总和。

目前常用，研究较多的主要是一些无机热电材料，比如Bi2Te3、PbTe、SiGe，但这类材料的不足之处在于昂贵、稀有、毒性、质脆及延展性差等。有机热电材料相对而言质轻，制备成本低，还能用于一些柔性设备中。但主要的问题则是其电导率低，因而在提高PF和ZT值上还有着很大的挑战。为扭转局势，解决这些缺点，有机-无机热电纳米复合材料（TENCs）应运而生，成为新一代热电材料研究点。这种设计主要是想将高电导率的无机材料和低热导率、合理的分子设计及机械柔性的有机材料结合起来，获得高性能的热电材料。

【成果简介】

复旦大学的梁子骐教授，同济大学的周俊研究员和美国加州大学圣巴巴拉分校的Guillermo C. Bazan（共同通讯作者）等人通过溶液法向绝缘的聚偏二氟乙烯（PVDF）中植入Ni纳米线，获得高度柔性的n型热电纳米复合材料。由于Ni组分的存在，这些复合材料表现出电导率和赛贝克系数异常的去耦性。Ni含量80 wt%的纳米复合材料在380K下可实现最大功率系数220 W m^-1 K^-2，ZT值则可达到0.15。

【图文导读】

图一、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图。Ni NWs由红色箭头标示出。

图二、不同Ni NWs含量的NiPVDF TENCs的XRD图谱

随着Ni NWs含量的增加，XRD图谱中可看见Ni的特征峰的强度不断增加，同时未出现导致材料电导率降低的NiO特征峰。

图三、室温下随Ni含量变化的Ni/PVDF TENCs的热电性

(a,b) 随Ni组分含量变化的平均电导率（a-三角形图标），赛贝克系数（a-方形图标）和功率系数（b-圆形图标）。每个点代表的是实验所得数据，a图中的红线是根据模拟结果得到的拟合线。b图中的虚线为指示线。

图四、Ni(80wt%)/PVDF TENCs随T变化的热电参数

(a) 电导率               (b) 赛贝克系数

(c) 功率系数            [注]：点为实测数据，线为相对应的拟合结果。

图五、异面Ni(80wt%)/PVDF TENCs随温度变化的热导率

室温下，Ni(80wt%)/PVDF TENCs的平均热导率κ在0.55 W m^-1 K^-1，且在整个温度测试范围内也并无多大改变，较Ni（90W m^-1 K^-1）要低很多。

【小结】

不经过掺杂处理，成功制备出柔性，不变形的n型TENCs—Ni NWs/PVDF是这项研究的一大亮点。当Ni纳米线含量从20 wt%增到80 wt%，纳米复合材料的电导率得到显著提高，从15提高到4701 S cm^-1。同时，处理的赛贝克系数和功率系数也都得到很大的提高。证实将两种各自热电性都不好的绝缘聚合物和无机金属结合起来，可产生意想不到的效果，给纳米复合材料带来杰出的热电性。

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

本文由材料人编辑部电子电工学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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