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物理所在高熱電功率因子的碳納米管宏觀體及其熱電性質(zhì)的測量研究中取得進(jìn)展

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物理所在高熱電功率因子的碳納米管宏觀體及其熱電性質(zhì)的測量研究中取得進(jìn)展

摘要: 　　熱電模塊能把產(chǎn)生于自然熱源的熱能和工業(yè)生產(chǎn)、日常生活中普遍存在的廢熱直接轉(zhuǎn)換為有價值的電能。為了迎合能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，應(yīng)該投入更多的努力去發(fā)展對環(huán)境友好且價格低廉的熱電材料。碳納米管具有優(yōu)異的 ...

　　熱電模塊能把產(chǎn)生于自然熱源的熱能和工業(yè)生產(chǎn)、日常生活中普遍存在的廢熱直接轉(zhuǎn)換為有價值的電能。為了迎合能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，應(yīng)該投入更多的努力去發(fā)展對環(huán)境友好且價格低廉的熱電材料。碳納米管具有優(yōu)異的電學(xué)性能和獨特的優(yōu)勢，在柔性熱電應(yīng)用方面引起了巨大關(guān)注。目前對于碳納米管的熱電學(xué)習(xí)主要集中在碳納米管薄膜和碳納米管/聚合物復(fù)合薄膜上，這些樣品幾乎都是基于分散的碳納米管溶液制備的，得到的熱電薄膜普遍電導(dǎo)率較低，從而導(dǎo)致了整體熱電功率因子不是很高，直接限制了材料能輸出的最大功率。學(xué)習(xí)者一般要通過較為繁瑣的復(fù)合工藝，才能制備得到高功率因子的熱電薄膜。此外，由于薄膜面內(nèi)熱導(dǎo)率的測量困難，特別是厚度較薄的薄膜，大局部學(xué)習(xí)者用的是面外方向的熱導(dǎo)率或者是借鑒其它文獻(xiàn)中類似碳納米管樣品的熱導(dǎo)率值來估算熱電優(yōu)值。薄膜往往存在各向異性，因此評估得到的熱電性能誤差較大。
　　中國科學(xué)院物理學(xué)習(xí)所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實驗室“納米材料與介觀物理”學(xué)習(xí)小組，多年來一直致力于碳納米管的制備、物性與應(yīng)用學(xué)習(xí)。在以往工作的基礎(chǔ)上，該課題組中科院院士解思深指導(dǎo)的博士生周文斌與該組博士生范慶霞、博士王艷春、學(xué)習(xí)員周維亞等人發(fā)展了一種簡捷、便利的熱電性質(zhì)的測量方法及裝置（中國發(fā)明專利申請?zhí)枺?01510172983.1），能夠測量同一個準(zhǔn)一維導(dǎo)電樣品在同一個方向上的熱電性質(zhì)（熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)），解決了碳納米管薄膜面內(nèi)熱導(dǎo)率測量困難的問題。
　　利用自主設(shè)計的準(zhǔn)一維導(dǎo)電材料熱電性質(zhì)的測量裝置，可以在10-4 Pa的高真空下進(jìn)行熱導(dǎo)率的測量，有效排除了碳納米管薄膜巨大的對流散熱的影響，并基于一維穩(wěn)態(tài)熱輸運方程，在建立理論模型時考慮了輻射散熱的影響，根據(jù)理論推導(dǎo)得到的公式，可以在高真空環(huán)境下通直流電使樣品自加熱，測量樣品電阻與溫度的依賴關(guān)系用于溫度監(jiān)測，樣品本身作為加熱器和電阻溫度計，無須引入額外加熱或測溫裝置，最終只需測量樣品懸空段的電阻，即可計算材料的熱導(dǎo)率。此外，還可以利用該熱電性質(zhì)測量裝置，采用四電極法和穩(wěn)態(tài)法測量同一個薄膜條帶或者纖維的電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)，最終實現(xiàn)熱電性能的準(zhǔn)確評估。通過對浮動催化化學(xué)氣相沉積法制備的碳納米管薄膜和纖維熱電性質(zhì)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，結(jié)果表明這些連續(xù)網(wǎng)絡(luò)碳納米管薄膜和纖維擁有優(yōu)異的p型熱電功率因子（室溫下最大值為2482 μW m-1 K-2），是理想的綠色、柔性熱電材料。相關(guān)學(xué)習(xí)結(jié)果發(fā)表在Small（2016， 12， 3407–3414）上。
　　該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和中科院等項目的支持。

　　圖1 (a) 熱電性質(zhì)測試樣品臺的結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 改變樣品懸空長度的樣品臺示意圖。

　　圖2 基于直接生長的碳納米管薄膜的柔性宏觀體的形貌表征。直接生長的碳納米管薄膜的(a)光學(xué)照片和(b)SEM圖像(Scale bar 100 nm)。(c) 由連續(xù)生長的碳納米管薄膜制備的CNT sheet的光學(xué)照片。(d)擰制直接生長的碳納米管薄膜制備的碳納米管纖維的SEM圖像(Scale bar 20 m)，纖維直徑為29 μm。

　　圖3 直接生長的碳納米管薄膜的熱電性質(zhì)測量。(a-d) 在6×10-4 Pa的穩(wěn)態(tài)真空下的面內(nèi)熱導(dǎo)率的測量: (a) 懸空薄膜條帶在不同加熱電流下電阻隨時間的變化。
　　(b) R-1 – I2 曲線。(c) 小溫區(qū)內(nèi)測得的R–T曲線。(d) 表觀熱導(dǎo)率隨懸空長度的平方變化曲線。(e-f) 在空氣氛圍下電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)的測量：(e) 測量得到的V–I曲線。(f) 懸空條帶兩端在不同溫差下測得的穩(wěn)態(tài)電壓差，斜率為表觀塞貝克系數(shù)，考慮導(dǎo)線的塞貝克系數(shù)后，可得到樣品本身的塞貝克系數(shù)。

　　圖4 碳納米管薄膜室溫下的熱電性質(zhì)。
　　(a) 測量得到的面內(nèi)方向的熱導(dǎo)率。(b) 面內(nèi)方向的電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)。(c) 計算得到的熱電功率因子和優(yōu)值。(d)不同碳納米管薄膜的紫外-可見-近紅外吸收光譜。插圖為扣除π電子等離激元吸收背底后的吸收光譜。

　　圖5 碳納米管纖維室溫下的熱電性質(zhì)。(a) 面內(nèi)熱導(dǎo)率測量時纖維在不同加熱電流下的電阻隨時間的變化。(b) 獲得的R-1 – I2 曲線。(c-d) 不同碳納米管纖維熱電性質(zhì)的比較，其中SWNT fiber 4是擰制硝酸處理過的碳納米管薄膜制備得到的。(e) 同一塊碳納米管薄膜硝酸處理前后的紫外-可見-近紅外吸收光譜。(f)與最近報導(dǎo)的不同p型柔性熱電材料功率因子的比較。
　　來源:物理學(xué)習(xí)所　　編輯:葉瑞優(yōu)物理所在高熱電功率因子的碳納米管宏觀體及其熱電性質(zhì)的測量研究中取得進(jìn)展  |  責(zé)任編輯：蟲子
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