一維形貌的熱電纖維因其良好的柔性和熱電性能，可輕易附著、集成在人體、衣物表面將熱能轉(zhuǎn)化為電能，在可穿戴領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。然而如何提高熱電纖維的熱電性能是近年來備受關(guān)注的研究方向之一。
近日，大連理工大學(xué)范曾、潘路軍團(tuán)隊(duì)利用簡(jiǎn)易的連續(xù)濕紡法成功制備了高性能聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）/碲（PEDOT:PSS/Te）復(fù)合熱電纖維，其功率因子達(dá)到233.5 μW m-1 K-2，機(jī)械強(qiáng)度為205 MPa，處于目前已報(bào)道PEDOT:PSS基熱電纖維的先進(jìn)水平。結(jié)合復(fù)合纖維中無機(jī)、有機(jī)組分取向情況，作者們采用改進(jìn)的串并聯(lián)模型和能量濾波理論，闡釋了一維二元復(fù)合系統(tǒng)中的電荷傳輸模式與熱電性能增強(qiáng)機(jī)制。該項(xiàng)成果以題“Investigations of Morphology and Carrier Transport Characteristics in High-performance PEDOT:PSS/Tellurium Binary Composite Fibers Produced via Continuous Wet-spinning”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。文章第一作者是大連理工大學(xué)溫檸暄博士，國(guó)防科技大學(xué)管鑫講師為共同第一作者。該工作是大連理工大學(xué)范曾、潘路軍團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于高性能柔性熱電纖維相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。
在濕法紡絲前，首先對(duì)Te納米線進(jìn)行預(yù)處理，通過在其表面包覆PEDOT:PSS層以提高其后續(xù)在同質(zhì)PEDOT:PSS水溶液中的分散性和穩(wěn)定性，為后續(xù)濕紡過程順利進(jìn)行打下基礎(chǔ)。通過對(duì)濕法紡絲工藝參數(shù)的優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)纖維連續(xù)制備，長(zhǎng)度可達(dá)50米而不會(huì)發(fā)生斷裂。復(fù)合纖維形貌如圖1所示。
圖1 PEDOT:PSS/Te復(fù)合熱電纖維濕紡工藝示意圖及結(jié)構(gòu)表征。
使用硫酸對(duì)復(fù)合纖維進(jìn)行后處理后， PEDOT:PSS/Te復(fù)合纖維的導(dǎo)電性顯著提高，塞貝克系數(shù)略有下降。當(dāng)硫酸處理時(shí)間為5分鐘時(shí)，電導(dǎo)率提高4倍，表明硫酸處理對(duì)提高電荷遷移率有顯著作用。硫酸處理后，復(fù)合纖維功率因子最高達(dá)到233.5 μW m-1 K-2，處于已報(bào)道PEDOT:PSS基熱電纖維的先進(jìn)水平。
圖2 PEDOT:PSS/Te復(fù)合熱電纖維性能。
此外，該研究還發(fā)現(xiàn)PEDOT:PSS/60 wt.% Te復(fù)合體系在一維構(gòu)型和二維構(gòu)型中的熱電性能差異較大。經(jīng)對(duì)比測(cè)試，10 μm厚的二維PEDOT:PSS/Te復(fù)合薄膜功率因子僅為同條件下一維復(fù)合纖維的五分之一。通過對(duì)復(fù)合纖維SEM形貌圖分析發(fā)現(xiàn)，復(fù)合纖維中無機(jī)相的取向度隨Te含量增加而增加。利用拉曼光譜和廣角X射線散射對(duì)PEDOT:PSS分子鏈的構(gòu)象和結(jié)晶度進(jìn)行表征，結(jié)果表明Te納米線的加入和一維纖維結(jié)構(gòu)都有利于類醌PEDOTs的形成，并且一維構(gòu)型中PEDOT的結(jié)晶度更高，π-π相互作用更強(qiáng)。
圖3不同Te組分下PEDOT:PSS/Te復(fù)合纖維的形貌和Te納米線取向分析。
圖4 PEDOT:PSS/Te復(fù)合纖維的拉曼和廣角X射線散射表征。
為深入理解一維二元復(fù)合纖維的電輸運(yùn)機(jī)制，該研究在傳統(tǒng)串并聯(lián)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入無機(jī)相和有機(jī)相取向因子，并將兩模型聯(lián)立。研究結(jié)果表明，改進(jìn)后的理論模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果高度一致。這也意味著，隨著復(fù)合纖維中無機(jī)相含量增加，載流子逐漸傾向于通過PEDOT:PSS/Te的異質(zhì)界面?zhèn)鬏，而異質(zhì)界面?zhèn)鬏斈Ｊ揭矠檩d流子在復(fù)合體系中發(fā)揮能量過濾效應(yīng)提供了基礎(chǔ)。
圖5 PEDOT:PSS/Te復(fù)合纖維中的載流子傳輸模型
小結(jié)：該研究采用連續(xù)濕紡法成功制備了高性能PEDOT:PSS/Te復(fù)合熱電纖維，其功率因子為233.5 μW m-1 K-2。優(yōu)異的熱電性能主要歸功于一維纖維結(jié)構(gòu)對(duì)體系載流子電輸運(yùn)特性的定向優(yōu)化，以及PEDOT:PSS/Te異質(zhì)界面產(chǎn)生的能量過濾效應(yīng)。這項(xiàng)工作不僅為高性能有機(jī)/無機(jī)復(fù)合熱電纖維的可控制備提供了一種簡(jiǎn)單通用的實(shí)驗(yàn)方法，同時(shí)也為理解一維構(gòu)型有機(jī)/無機(jī)二元復(fù)合體系的電輸運(yùn)機(jī)制提供了理論支撐。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202315677
