柔性N型有机-无机纳米复合热电材料

近日，德州农工大学（Texas A&M University）Shiren Wang教授（点击查看介绍）的研究团队利用溶液法，通过在二维无机材料中插层纳米颗粒，制备了一种柔性N型有机-无机纳米复合热电材料。相关成果发表在Energy & Environmental Science上，论文的第一作者是Liming Wang博士后。

近年来，低维度纳米热电材料通过协同调控电/声运输特性实现材料热电性能的提高是柔性热电材料的重要研究方向之一。和传统的无机热电材料相比，有机-无机复合材料不仅具有有机材料质轻、易制备、机械延展性好等优点，还具有比纯有机材料更加优良的热电性能。基于此研发的柔性热电材料也具有更广阔的应用前景：不仅适用于传统的废热回收处理领域，也可应用于高精度的热传感器、自供电可穿戴设备的制备和生产。然而，制备同时具有机械柔性。可用于溶液打印且性能优异的N型热电材料是该领域存在的重大挑战。

针对这一难题，该研究团队提出一种简单易行的制备方法：将从层状多晶TiS₂中剥离出的单层TiS₂纳米片巧妙地与C₆₀纳米颗粒进行组装，成功研制出基于溶液法制备的兼具机械柔性，具有高ZT值的新型有机无机纳米复合材料。

图1. 溶液法制备C₆₀/TiS₂纳米复合膜的示意图

图2. 合成的C₆₀/TiS₂纳米复合膜的表征

C₆₀纳米颗粒的插层不仅提高了该复合材料的功率因子，同时由于声子散射效应，TiS₂的晶格热导也显著降低。显著降低的热导来源于TiS₂和C₆₀的共同作用：TiS₂纳米片可以有效地散射长波声子，小尺寸的C₆₀纳米颗粒更倾向于散射中等波长和短波长的声子。

图3. 不同温度下1 wt%的C₆₀/TiS₂复合膜热电性能的测试以及和现有的其他柔性、基于溶液法制备的有机、有机/无机复合热电材料的对比

该方法制备的C₆₀/TiS₂复合膜表现出优异的热电性能：其ZT值在室温下可以达到～0.2，400 K时可以达到～0.3，和已报道的单晶TiS₂性能相当，且高于现有溶液制备的柔性N型热电材料。使用该复合材料打印的热电器件在温度梯度为20 K时，最大输出功率可达到1.68 W/m²。

图4. 制备的热电器件示意图、实物图以及热电性能

该研究提供了一种简易的溶液法制备N型热电材料，可延伸到其他二维过渡金属二硫族化合物（TMDs）。更为重要的是，这种有机-无机复合热电材料可以作为墨水应用在大规模生产柔性、空气稳定性好的N型热电器件。相关成果为热电器件在柔性电子上的应用提供了有效的解决方法。

该论文作者为：Liming Wang, Zimeng Zhang, Linxiao Geng, Tianyu Yuan, Yuchen Liu, Juchen Guo, Lei Fang, Jingjing Qiu and Shiren Wang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Solution-printable fullerene/TiS₂ organic/inorganic hybrids for high-performance flexible n-type thermoelectrics

Energy Environ. Sci., 2018, 11, 1307, DOI: 10.1039/c7ee03617e

导师介绍

Shiren Wang

http://www.x-mol.com/university/faculty/49802

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