|
||
|
热能大范围的应用于工业和家庭，并可在光热和地热等自然过程中产生。虽然工业中使用了换热式燃烧器、余热锅炉和板式换热器等技术来收集高温余热，但这些技术对于 130℃ 以下的低品位余热并不可行，而这些余热占地球总余热的 ≈2/3。热电（TE）技术可直接将热量转化为电能，被公认为是收集低品位余热的唯一可行方法。传统的热电材料是电子材料，如半导体、半导体和本征导电聚合物，其热电转换源于塞贝克效应，即电子或空穴的热扩散。开发高性能 n 型离子热电材料具备重要意义。 来自新加坡国立大学的学者报道了通过阳离子和阴离子的协同掺杂，离子凝胶实现了从 p 型到 n 型的转变，并极大地提高了n 型离子塞贝克系数。在相对湿度（RH）为 75% 的条件下，掺杂三氟甲磺酸银（AgOTf）可使由聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）和 1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIM:BF4）组成的离子凝胶的离子塞贝克系数从 5.52 mV K-1 变为 -26.4 mV K-1。在 91% 相对湿度条件下，ZTi 值可高达 1.7，是 n 型离子凝胶中最高的。这种从 p 型到 n 型的转变和 n 型离子塞贝克系数的大幅提高可归因于 Ag+ 和 OTF- 的协同掺杂。Ag+ 可与 BMIM+ 形成复合物，OTF- 可与 BMIM+ 发生强烈的库仑相互作用。两者都能延缓 BMIM+ 阳离子的迁移，从而增加 BMIM+和 BF4- 的迁移率差异。这是首次观察到阳离子和阴离子对离子TE材料的协同掺杂作用。相关工作以题为“Giant Thermoelectric Performance of N-Type Ionogels by SynergisTic Dopings of CaTions and Anions”的研究性文章发表在Advanced Energy Materials。
图 1. a) PVDF-HFP、BMIM:BF4 和 AgOTf 的化学结构和 PBA 离子凝胶的照片。b) PBAx 离子凝胶的离子塞贝克系数（Si）、离子电导率（σi）和离子功率因数（PFi）与AgOTf 掺杂水平（x）的关系。d）热电性能是在相对湿度为 75% 的条件下测量的。
图 2. 相对湿度为 75% 时，aPBAx 离子凝胶的 a) 离子塞贝克系数和离子电导率以及 b) 离子功率因数与 AgOTf 掺杂水平 (x) 的关系。c) aPBA0.1225 离子凝胶的离子塞贝克系数和离子电导率以及 d) 离子功率因数与相对湿度的关系。 e) aPBA0.1225的 ZTi 随相对湿度的变化。 f) 将本研究的 ZTi 和 Si 值与文献中报道的一些有代表性的 n 型离子凝胶进行比较。
图 3. 掺杂了不同有机盐的 PB 离子凝胶的离子塞贝克系数。红色圆柱表示掺杂水平为 0.01 时的离子塞贝克系数，虚线 离子凝胶的最佳离子塞贝克系数。所有测量均在相对湿度为 75% 的条件下进行。 图 7. a) 使用掺杂（红色）和不掺杂（黑色）AgOTf 的不同离子液体的 PVDF-HFP 离子凝胶的离子塞贝克系数。b) 使用不相同聚合物作为凝胶剂，掺入（红色）和不掺入（黑色）AgOTf 的 BMIM:BF4 离子凝胶的离子塞贝克系数。所有测量均在相对湿度为 75% 的条件下进行。
图 8. a) ITEC 的数码照片。b) 热循环期间ITEC 四个阶段的示意图；c) 热循环期间 ITEC 的热电压曲线 K，外部负载电阻为 5.2 kΩ。d)比能量（E）和比平均功率（P）与外部负载电阻的关系。所有测量均在相对湿度为 75% 的条件下进行。 本研究通过阳离子和阴离子的协同掺杂，展示了高性能 n 型离子凝胶。在 PVDF-HFP/BMIM:BF4 离子凝胶中掺杂 AgOTf 能轻松实现从 p 型到 n 型的转换。n 型离子塞贝克系数可达 -26.4 mV K-1，是 n 型离子凝胶中最高的。这归因于 Ag+ 与 BMIM+ 的络合以及 OTF- 与 BMIM+ 之间强大的库仑吸引力。这是首次观察到盐的阳离子和阴离子对离子液体阳离子的延缓作用。为了区别于其他只有盐的阳离子或阴离子能影响离子塞贝克系数的掺杂方法，本研究将这种新方法称为协同掺杂。此外，通过与反溶剂工程方法相结合，掺杂了 AgOTf 的 PVDF-HFP/BMIM:BF4 离子凝胶的离子电导率能够获得进一步提升。在相对湿度为 91% 的条件下，ZTi 值可达 1.7，这是 n 型离子凝胶的最高值。这也是首次在不含 TSFI 阴离子的离子凝胶上观察到 n 型 TE 行为。除了 PVDF-HFP/BMIM:BF4 离子凝胶外，这种协同掺杂方法还可用于含有其他离子液体或聚合物凝胶剂的离子凝胶。本研究还展示了 n 型 TE 离子凝胶的应用。特别是，它们能与 p 型离子 TE 材料集成，产生高热电压。因此，这项工作具有基础和实际意义。（文：SSC） |
||
