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西南交通大學Yong Wang課題組--用于一體化光熱轉換的超柔 PEDOT:PSS/螺旋碳納米管薄膜
       光熱(PTE)轉換可以有效地實現低質量光或熱的回收。無機異構異步(分離)PTE轉換系統的開發已經投入了大量精力。在這里,根據均勻同步(一體式)PTE轉換假設。通過連續滴鑄PEDOT:PSS/螺旋制備具有贗雙層結構(PBA)的全有機PTE薄膜碳納米管 (HCNT) 混合物和 PEDOT:PSS 到真空紫外線處理的基板上。研究結果證明,嵌入 HCNT 中的七邊形-五邊形對促進了 PEDOT 分子鏈的更密集排列,從而提高了結晶度并影響了熱電性能。 HCNTs的弱連接和中空結構抑制了熱量的散發,薄膜的zT值達到0.01以上。 PBA 薄膜顯示出比純 PEDOT:PSS 薄膜更好的光熱轉換性能,并且無需外部冷卻即可穩定產生超過 25.68℃的溫差。制作了柔性PTE芯片demo,其理想開路電壓(COMSOL模擬)在弱近紅外刺激下(83.12 mW/cm2)達到1.5 mV以上,是有機一體式PTE的最佳值。器件,實際最大輸出功率達到 2.55 nW (166.01 mW/cm2)。該芯片具有令人難以置信的超柔韌性,10000次彎曲循環后其內阻變化小于1.42%,在連續周期輸出中表現出超高穩定性(相似度>90%)。我們的工作填補了 PEDOT:PSS 復合材料同質同步 PTE 研究的不足,是超靈活集成一體式 PTE 芯片設計的初步嘗試。
 
 
Figure 1. (a) 單層/雙層結構薄膜的制造示意圖。(b-e) PEDOT:PSS/ x wt % HCNT ( x = 20, 40, 60, 80) 雙層結薄膜的橫截面形態。(f, g) TEM 圖像和 (h) PEDOT:PSS/HCNT 復合材料的相應EDS映射。
 
 
Figure 2. (a) 未經進一步處理的 PEDOT:PSS/HCNTs 單層結構薄膜的拉曼光譜。 (b) PEDOT的Cα=Cβ對稱伸縮振動的拉曼位移。 (c)PEDOT Cα=Cβ對稱伸縮振動信號在PEDOT:PSS/60 wt% HCNT假雙層結構薄膜橫截面上的拉曼圖。 (d) 未經進一步處理的 PEDOT:PSS/HCNT 單層結構薄膜的 XRD 光譜。 (e) PEDOT 交替 (200)、PSS 交替 (100) 和 PSS 相鄰 (100) 的層狀距離。 (f) PSS π-π 堆積 (001) 和 PEDOT π-π 堆積 (010) 的距離變化分別隨著 HCNT 含量的增加而變化。
 
 
Figure 3. 具有不同結構、厚度比和 HCNT 含量的 PEDOT:PSS/HCNT 薄膜的熱電特性。 (a) 電導率和塞貝克系數,以及 (b) 具有單層結構 (SLC) 和偽雙層結構 (BLC) 的 PEDOT:PSS/HCNT 薄膜和具有雙層形式 (BL-) 的 PEDOT:PSS 薄膜的功率因數PEDOT:PSS),分別。 (c) PEDOT:PSS/HCNT 贗雙層結構薄膜的電導率和塞貝克系數、(d) 功率因數、(e) 面內熱導率和 (f) 無量綱品質因數 (zT)。 (g) 電導率和塞貝克系數,以及 (h) 基于兩種組分不同厚度比的贗雙層結構薄膜的功率因數。
 
   
Figure 4. PEDOT:PSS/HCNT薄膜的光熱轉換和透射率。 (a) 光熱轉換和面內熱傳輸測試系統示意圖。 (b) PEDOT:PSS/HCNT 偽雙層結構薄膜在不同曝光時間下的 IR 熱圖和 (c) 3D 熱圖。 (d) (b) 中樣品在完整的燈開/關期間的溫度變化。最高溫度繪制在(e)中。 (f) PEDOT:PSS/80 wt % HCNT 偽雙層結構薄膜的橫截面溫度分布演變。樣品產生的溫差如(g)所示。 (h) PEDOT:PSS/HCNTs 單層薄膜的 UV-vis-NIR 光譜。透射率總結在(i)中。 (i) 的插圖強調了透射率的指數下降。
 
 
Figure 5. 制造的柔性納米微光熱電器件的輸出性能。 (a) 設備的架構演示。 (b) 成品裝置的靈活性。 (c) 制備的器件在不同近紅外輻射功率刺激下的開路電壓響應曲線。 (d) 器件的輸出電壓和 (e) 功率與不同輻射功率下的電流的關系。最大功率輸出時的匹配電阻繪制在 (f) 中。 (g) 器件的 t90 系數。
 
 
Figure 6. 通過 COMSOL 軟件模擬的制造的柔性納米微器件的理想輸出性能。所有參數均取自實際測量值。 (a) 器件在不同曝光時間下的散熱。 (b) 理想 OCV、等電位漂移校正 OCV 和實際 OCVn。 (c) 所制備設備的數碼照片和仿真模型。準確的連接點用黃點標記。
 
 
Figure 7. 制造的柔性納米微器件的在線彎曲疲勞測定。 (a) 在線判定系統示意圖。 (b) |R - R0|/R0 器件在 10000 次連續拉伸-彎曲循環中的變化。 (b) 的插圖顯示了偽雙層架構器件的內部電阻變化的細節。 (c) 開路電壓和 (d) |V10K - V0|/V0 值與 10000 次彎曲循環前后的照明功率的關系。 (e) 歸一化 Fréchet 距離和 (f) 在 10000 次彎曲循環之前/之后在不同照明功率下設備的任意輸出信號的相似性。 (g) 拉伸和彎曲狀態下的贗雙層結構薄膜結構示意圖。
 
       相關研究工作由西南交通大學Yong Wang課題組于2022年在 《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上在線發表。原文:Ultraflexible PEDOT:PSS/Helical Carbon Nanotubes Film for All-in-One Photothermoelectric Conversion。

轉自《石墨烯研究》公眾號

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