新加坡国立大学欧阳建勇团队《AFM》: 水溶胀可显著提高TDAE溶液还原PEDOT:PSS薄膜的热电性能

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热电材料能够直接将废热转化为电能,在可持续发展中具有重要意义。近年来,有机热电材料,如PEDOT:PSS,因其具备高机械柔性、低本征热导率以及溶液可加工性等优势,被认为是下一代热电材料。但是,PEDOT:PSS的热电性能需要进一步提高。

最近,新加坡国立大学欧阳建勇教授团队发现依次使用硫酸、水和四(二甲基氨基)乙烯(TDAE)溶液处理的PEDOT:PSS薄膜具有极高的热电性能。经过后处理的PEDOT:PSS薄膜的功率因子达到526 μW m⁻¹ K⁻²,塞贝克系数为58.2 μV K⁻¹,电导率为1552 S cm⁻¹。TDAE是一种常见的还原剂,但是传统的使用TDAE蒸气或液体进行还原的方法具有一定的局限性,所形成的PEDOT:PSS薄膜的性能不均匀。在此项工作中, 他们发现使用TDAE溶液还原的PEDOT:PSS薄膜具有更优异的热电性能和薄膜均匀性。相关工作以题为“PEDOT:PSS Films With Very High Thermoelectric Properties Through Water-Swollen Assisted Reduction With a Tetrakis(dimethylamino)ethylene Solution”发表在《Advanced Functional Materials》上。
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热电性能的提升
研究发现,TDAE溶液处理前的水溶胀对于提高PEDOT:PSS薄膜的热电性能方面至关重要。未经水浸处理时,对照组 PEDOT:PSS 薄膜的塞贝克系数仅为 32.4 μV K⁻¹,电导率为 1124 S cm⁻¹,相应的功率因数仅为 118 μW m⁻¹ K⁻²。
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图a为PEDOT:PSS和TDAE的化学结构。图b为使用 H2SO4、去离子水和TDAE溶液对 PEDOT:PSS薄膜进行后处理的示意图。
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PEDOT:PSS薄膜的塞贝克系数、电导率 (图a) 和功率因数(图b) 对TDAE在乙醇中浓度的依赖性。PEDOT:PSS薄膜的塞贝克系数、电导率 (图c) 和功率因数(图d) 随水浸时间增长的变化。
表征结果
通过不同的表征方法研究了提高PEDOT:PSS热电性能的机理。结果证明TDAE可以还原PEDOT:PSS,并且水浸处理会引起PEDOT:PSS薄膜的溶胀,这将促进 TDAE从乙醇溶液渗透到PEDOT:PSS薄膜中,从而促进PEDOT:PSS的还原,并显著提高材料的热电性能。
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图a显示了有/无水浸处理时TDAE后处理对于PEDOT:PSS在可见和近红外区吸收光谱的影响。图b显示了有/无水浸处理时TDAE后处理对于PEDOT:PSS在拉曼光谱的影响。图c显示了有/无水浸处理时TDAE后处理对于PEDOT:PSS在S 2p XPS光谱的影响。图d显示了有/无水浸处理时TDAE后处理对于PEDOT:PSS在N 1s XPS光谱的影响。
小结
通过H2SO4、去离子水和TDAE溶液后处理的PEDOT:PSS的热电性能得到了显著提升,最佳功率因子达到526 μW m⁻¹ K⁻²,塞贝克系数为58.2 μV K⁻¹,电导率为1552 S cm−1。水浸处理是提高热电性能的关键步骤。水的浸泡使PEDOT:PSS薄膜溶胀,从而促进TDAE的渗透。此外,该方法展现出优于传统TDAE蒸气或液体处理方法的热电性能和薄膜均匀性。
来源:高分子科学前沿