中山大学张鹏课题组:PEDOT基热电材料的结构与设计

中国聚合物网    2022-11-07    178

  聚(3,4-二氧乙撑噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS),是当前最受关注、应用最为广泛的一种柔性热电材料。然而,未经处理的PEDOT:PSS薄膜的电导率仅有1S cm-1左右,限制了其热电性能。最近,研究人员使用二次离子掺杂来提高PEDOT:PSS的性能。然而离子掺杂如何改变PEDOT:PSS的溶液和薄膜结构,导电网络与热电性能的关联等方面仍然缺乏系统、有效的研究。


  近期,中山大学材料科学与工程学院张鹏课题组依托同步辐射小角散射(SAS)技术开发了一种无需后处理的、高性能热电材料。该工作基于同步辐射及中子源SAS技术对离子液体(IL)掺杂PEDOT:PSS水基分散液的溶液结构进行了详细表征(图1,首次揭示了PEDOT:PSS/IL溶液超分子组装结构。进一步,利用同步辐射掠入射X射线散射(GIWAXS)等技术对PEDOT:PSS/IL薄膜内分子构象及排列进行了深入研究。基于此,初步建立了PEDOT:PSS/IL杂化材料的多尺度结构模型(图3)并对PEDOT基热电材料的结构-热电性能(图4)关联进行了阐释。相关发现,预期为新型柔性热电材料的设计、开发和商业化应用提供理论指导。该工作以Deciphering the superior thermoelectric property of post- treatment-free PEDOT:PSS/IL hybrid by X-ray and neutron scattering characterization”为题发表在《npj flexible electronics》上。文章第一作者是中山大学博士生李鑫。该研究得到国家自然科学基金委、上海光源、北京光源、澳洲中子源等国内外大科学设施的支持。


1 PEDOT:PSS溶液的溶液微观结构(a) 微相分离核(PEDOT-壳(PSS)结构和c棒状微结构,此结构来源于(bSAXS原始数据和拟合数据。(d)通过SANS 数据拟合后的PEDOT:PSS超分子组装示意图。 


2 PEDOT:PSS薄膜的(aUV?vis-NIR光谱,(bRaman光谱,(c2D GIWAXS图像,(d1D GIWAXS散射图,(ePEDOT:PSS的层状堆叠结构示意图。


3 PEDOT:PSS薄膜的多尺度结构示意图 


4 PEDOT:PSS薄膜的热电性能(aSeebeck系数,(b)电导率,(c)功率因子,(d)近期报道的无后处理的PEDOT:PSS薄膜热电性能对比


  该工作是课题组近期关于聚合物功能杂化材料、同步辐射X射线散射技术及其应用相关研究的最新进展之一。结构和设计是聚合物杂化材料高性能化的重要组成部分。为此课题组基于同步辐射X射线散射先进结构表征技术,对材料的加工、服役过程进行原位研究,深入揭示了聚合物杂化材料在加工过程、多场环境下的结构演变行为。在过去的两年中,课题组成功开发了多种适用于同步辐射线站环境的原位实验装置(专利号:ZL202123369353.8, ZL202022905252.2)。基于此,利用同步辐射X射线散射技术(WAXS/SAXS/GIWAXS/GISAXS)对聚合物杂化材料的溶液自组装行为(Giant 20216, 100056Langmuir 202238 (8), 2460-2466),溶液成膜过程(npj Flexible Electronics 20226 (1), 6),薄膜结构(ACS Applied Polymer Materials 20213 (1), 98-103Chemistry of Materials 2021 33 (7), 2673-2682)等进行了系统研究,深入揭示聚合物杂化材料的构效关系,并用于指导新材料的设计、制备工艺的开发(专利号:ZL202011643287.1)及其在电池、热电等领域的应用。


  原文链接:https://www.nature.com/articles/s41528-022-00138-y

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