陈光明&张其春&王汉夫Carbon Energy：“水泥-钢筋”纳米结构的Bi2Te3/SWCNT复合热电材料薄膜

研究背景

热电材料利用材料内部载流子的输运，实现热能与电能的直接转换。热电效应包括塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应。热电器件在废热收集、局部冷却、柔性和可穿戴电子设备等方面具有广泛的应用前景。尽管热电材料研究已经取得了很多重要进展，但是仍存在很多难题急待解决。碲化铋（Bi₂Te₃）是一种典型的室温无机热电材料，然而这类材料刚性大，很难进行溶液加工处理，对于现代微纳加工和柔性器件组装是非常不利的，而且难以与不平整热源表面紧密接触。单壁碳纳米管(SWCNT)具有高柔性和高电导性，但导热系数很高。基于此，我们探讨了将Bi₂Te₃的高热电性能和SWCNT的柔性可溶液加工特点相结合，制备新型的有机/无机复合热电材料薄膜。

研究内容

受 “钢筋-水泥”建筑结构的启发，深圳大学陈光明、香港城市大学张其春与国家纳米中心王汉夫提出了设计构建"水泥-钢筋"纳米结构制备n-型Bi₂Te₃/SWCNT复合材料柔性薄膜的方法。采用SWCNTs和Bi₂Te₃的混合物的墨水溶液浇筑法，以SWCNT作为连接线（即“钢筋”），将Bi₂Te₃纳米层（即“水泥”）组装和串联起来，得到了n-型Bi₂Te₃/SWCNT自支撑柔性薄膜。当SWCNT 含量为2wt%时，复合材料薄膜表现出最优异的热电性能，即热电优值（ZT）达到0.47。此外，该薄膜表现出优异的柔性和高空气稳定性，在柔性和可穿戴电子等方面具有潜在的应用前景。该文章以题为“Construction of a cement–rebar nanoarchitecture for a solution processed and flexible film of a Bi₂Te₃/CNT hybrid toward low thermal conductivity and highthermoelectric performance”发表在Carbon Energy上。

文章亮点：

1.得到了Bi₂Te₃前驱体/SWCNT复合物的墨水分散液，并以此制备了Bi₂Te₃/SWCNT复合材料柔性薄膜。提出了具有"水泥-钢筋"纳米结构的复合材料薄膜制备过程与机理，其中Bi₂Te₃纳米晶作为主体材料和低含量SWCNT（≤4 wt%）复合；并通过一系列加工过程，制备得到了柔性自支撑薄膜；该薄膜表现很高的柔性，经200次弯曲循环（弯曲半径2.5毫米）后电导率基本没有变化。

2.研究了较低SWCNT碳管含量（1~4 wt%）的复合热电材料薄膜的热电性能。随着SWCNT含量的增加，电导率增大。在300K时，Bi₂Te₃/SWCNT（2 wt%）复合材料薄膜表现出稳定的n-型塞贝克系数（约100 μV K-1），在空气中放置30天基本不变，而且具有极低的热导率（约0.33 W m-1 K-1），其ZT值最高可达0.47。

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论文标题：

Construction of a cement–rebar nanoarchitecture for a solution processed and flexible film of a Bi₂Te₃/CNT hybrid toward low thermal conductivity and highthermoelectric performance

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.161

DOI:10.1002/cey2.161

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