苯烷基侧链调控聚噻吩/碳纳米管复合材料的热电性能优化研究

本研究针对低品位热能回收效率低的问题，通过设计含不同亚甲基间隔基的苯烷基侧链聚[3-(苯烷基)噻吩]（P3PATs），系统探究了侧链长度对聚噻吩（PT）/单壁碳纳米管（SWCNT）纳米复合材料热电性能的影响。研究发现，长侧链P3PDT/SWCNT复合材料功率因子（PF）达165±22 μW m?1 K?2，较传统P3HT体系提升2.5倍，为高性能柔性热电材料设计提供了新思路。

　　

在全球工业能耗中，超过30%的初级能源以低于100℃的低品位废热形式散失，如何高效回收这些能量成为可持续发展的重要挑战。热电（Thermoelectric, TE）材料能够直接将热能转化为电能，为废热利用提供了理想解决方案。然而，传统无机热电材料存在脆性大、成本高等问题，而碳纳米管（CNTs）虽具有优异导电性和机械柔性，却因强范德华力易团聚，导致性能下降。针对这一难题，聚噻吩（Polythiophene, PT）与单壁碳纳米管（Single-Walled Carbon Nanotube, SWCNT）的复合材料因其可调谐的电子结构和柔性特征备受关注，但如何通过分子设计优化界面相互作用仍是关键科学问题。

日本学术振兴会（JSPS）和台湾科学技术委员会（NSTC）资助的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表论文，首次系统研究了苯烷基侧链长度对PT/SWCNT纳米复合材料热电性能的影响。研究人员通过库马达-玉尾-科里乌（Kumada–Tamao–Corriu, KCTP）催化剂转移聚合法，合成了六种具有不同亚甲基间隔基（m=2-12）的规整聚[3-(苯烷基)噻吩]（P3PATs），包括P3PET、P3PPT、P3PBT、P3PHT、P3POT和P3PDT。

关键技术方法包括：1）KCTP法可控合成不同侧链长度的P3PATs；2）紫外-可见吸收光谱和光致发光猝灭分析能量转移效率；3）形貌表征评估SWCNT分散性；4）热电性能测试系统测量功率因子（PF）和塞贝克系数。

研究结果

1. 材料合成与表征：通过核磁共振和凝胶渗透色谱确认了P3PATs的规整结构和低分散度（?_M），其中长侧链聚合物（如P3PDT）表现出更高的溶解性和SWCNT分散能力。

2. 光谱学分析：紫外吸收红移和荧光猝灭现象证实苯烷基侧链能增强PT与SWCNT间的π-π相互作用，促进能量转移。

3. 形貌调控：透射电镜显示，随着侧链长度增加（如m=12的P3PDT），SWCNT束直径减小至5-10 nm，表明长侧链更有效促进解束和均匀包裹。

4. 热电性能：P3PDT/SWCNT复合材料在室温下获得最高PF值（165 μW m^?1 K^?2），归因于优化的载流子迁移率和电导率平衡。

结论与意义
该研究揭示了苯烷基侧链长度与热电性能的构效关系：1）末端苯基通过π-π堆叠增强聚合物/SWCNT界面耦合；2）亚甲基间隔基长度调控分子链柔性和空间位阻，影响SWCNT分散状态。相比含硫侧链的聚(3-烷硫基噻吩)（P3ATT），苯烷基设计在保持高热稳定性（T_d^5%提升>100℃）的同时实现高性能，为柔性热电材料的分子工程提供了新范式。这项工作由Tatsuma Fujita和Megumi Matsuda等合作完成，其策略可扩展至其他共轭聚合物/碳材料体系，推动可穿戴能量收集器件的发展。