有機(jī)-無機(jī)復(fù)合熱電材料不僅具有有機(jī)材料質(zhì)輕、高延展性、低成本、易制備等優(yōu)點(diǎn)，而且可以獲得比純有機(jī)材料更加優(yōu)異的熱電性能，近年來持續(xù)受到熱點(diǎn)關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的采用原位聚合或機(jī)械混合法制得的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合熱電材料，存在著無機(jī)納米顆粒難分散、易氧化、粒徑大小難以控制以及無機(jī)相添加量過大（通常>25wt%）等問題，削弱了實(shí)際的復(fù)合效果，極大地阻礙了有機(jī)/無機(jī)復(fù)合熱電材料的進(jìn)展。近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員陳立東、副研究員姚琴的研究團(tuán)隊在聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）基有機(jī)/無機(jī)復(fù)合熱電材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊采用新型氧化劑，通過自抑制聚合法，獲得了高膜厚無氣孔PEDOT:DBSA-Te量子點(diǎn)復(fù)合熱電薄膜，相關(guān)成果相繼發(fā)表于NPG Asia Materials, 2017, 9, 405；Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 8037–8042，并獲得授權(quán)專利一項(xiàng)。

研究團(tuán)隊首先通過設(shè)計調(diào)控導(dǎo)電高分子對陰離子的分子結(jié)構(gòu)來調(diào)控對陰離子的位阻，實(shí)現(xiàn)了薄膜自抑制法聚合（SIP）新工藝，獲得了高性能可應(yīng)用的PEDOT厚膜材料，使得便捷制備微米級高電導(dǎo)率（>103S/cm）PEDOT薄膜成為可能。在此研究基礎(chǔ)上，在自抑制效果下實(shí)現(xiàn)了高膜厚無氣孔PEDOT:DBSA-Te量子點(diǎn)復(fù)合薄膜的同步生成。通過新型Fe(III)氧化劑的自抑制作用，實(shí)現(xiàn)了PEDOT基體對均勻分散Te顆粒的緊密包覆，成功抑制了Te納米顆粒的氧化。進(jìn)一步通過調(diào)節(jié)氧化劑的比例可以控制Te含量和粒徑，最小粒徑可達(dá)到量子點(diǎn)級（<5nm）。最終，通過Te量子點(diǎn)的高效聲子散射機(jī)制，在較低的Te添加量下（2.1 ~ 5.8 wt%），實(shí)現(xiàn)了澤貝克系數(shù)和電導(dǎo)率的同時提升，獲得了功率因子超過100 mW/mK2的復(fù)合薄膜，比純的PEDOT:DBSA基體提高了50%以上。該項(xiàng)研究為未來有機(jī)-無機(jī)復(fù)合納米熱電材料制備展示了新的方法和思路。下一步，該團(tuán)隊將探索更多基于此方法的PEDOT基復(fù)合材料的合成以及相關(guān)器件的制作。

相關(guān)研究工作得到了“973”項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、上海市科委等的資助。

自抑制法制備PEDOT厚膜和PEDOT/Te量子點(diǎn)復(fù)合薄膜路線圖

不同Te含量的PEDOT/Te復(fù)合薄膜的SEM、AFM和HTEM圖像

不同Te含量的PEDOT/Te復(fù)合薄膜的電導(dǎo)率、澤貝克系數(shù)和熱電功率因子