Ag-ZnO集成对PANI中电荷传输的影响：一种性能提升的聚合物基热电发电机

《Materials Science and Engineering: A》：Impact of Ag-ZnO integration on charge transportation in PANI: An enhanced polymer-based thermoelectric generator

本研究通过水热法和原位化学氧化聚合合成Ag-ZnO/PANI纳米复合材料，发现1% Ag-ZnO/PANI在416K时具有最高功率因子3.27×10^-3 μW/mK2，较纯PANI提升3.8倍，归因于优化的电导率和Seebeck系数。

　　本研究探讨了通过引入银掺杂氧化锌（Ag-ZnO）纳米颗粒作为纳米填料，如何提升聚苯胺（PANI）的热电性能。这一研究旨在开发一种新型的热电材料，以应对日益增长的能源需求和对可持续能源解决方案的迫切需求。随着全球人口的增加和人类活动的不断扩展，能源消耗量持续上升，预计到2050年和2100年，全球电力消耗将分别翻倍和三倍。然而，目前大多数电力仍通过燃烧化石燃料（如煤、石油和天然气）产生，其中约有60%的能量以热能形式浪费。因此，探索高效、环保的热能回收技术变得尤为重要。

热电材料能够将热能直接转化为电能，而无需机械运动部件，这使其成为一种极具前景的能源转换技术。热电材料的性能通常由其“优值”（ZT值）来衡量，ZT值越高，表示该材料在热电转换方面越有效。ZT值由功率因子（S2σ）和热导率（k）共同决定，其中功率因子是Seebeck系数（S）与电导率（σ）的乘积，而ZT值与功率因子成正比，与热导率成反比。因此，提高热电材料的性能需要同时优化其电导率和Seebeck系数，同时降低其热导率。

传统的无机热电材料，如PbTe、Bi?Te?、Sb?Te?和SnSe等，因其具有较高的非谐性，能够有效降低热导率，并且具有较高的Seebeck系数，从而表现出较高的ZT值。例如，Jia B.等人报道了一种基于PbTe的热电材料，在750K时表现出ZT值高达1.7，这是由于载流子迁移率的提升和Seebeck系数的增加所致。然而，这些传统材料在实际应用中受到诸多限制，例如毒性、稀缺性、高成本以及在高温下的稳定性问题。因此，研究者们正在努力开发新型的热电材料，以解决这些问题。

在此背景下，导电聚合物因其高电导率、易于合成、环境友好以及低成本等优点，逐渐受到关注。其中，聚苯胺（PANI）因其良好的导电性能、化学稳定性和与多种金属氧化物的兼容性，被认为是具有潜力的热电聚合物。PANI的导电性可以通过掺杂来显著提高，而其热导率则相对较低，这使得它成为一种理想的热电材料候选者。例如，Singh M.等人成功合成了樟脑磺酸掺杂的聚苯胺（CSA-PANI）和硫酸掺杂的聚苯胺（H?SO?-PANI），分别在323K和298K时获得了高达0.4 μWm?1K?2和0.57 μWm?1K?2的功率因子，显示出其在热电应用中的潜力。

尽管PANI的热电性能优于许多其他导电聚合物，但其性能仍落后于传统的无机热电材料。为了进一步提升PANI的热电性能，近年来的研究集中于在PANI基体中引入金属氧化物和金属掺杂的金属氧化物纳米结构作为纳米填料。这些纳米填料可以通过提供更有效的导电路径来提高PANI的电导率，同时通过界面处的能量过滤效应来优化Seebeck系数。例如，将二氧化锡（TiO?）引入PANI基体后，其在373K时的功率因子达到16.17 μWm?1K?2，比纯PANI提升了近30倍。同样，铝掺杂氧化锌（Al-ZnO）/PANI复合材料在400K时的功率因子达到20.2 μWm?1K?2，远高于纯PANI的值，这归因于载流子迁移率的提高和Seebeck系数的优化。

氧化锌（ZnO）是一种宽禁带的n型半导体金属氧化物，以其高载流子迁移率、良好的化学稳定性和与聚苯胺等聚合物的兼容性而闻名。ZnO能够与聚苯胺的π电子相互作用，从而增强其导电性。此外，将贵金属如银（Ag）掺杂到ZnO中，可以进一步提升其电导率和界面特性。银掺杂的ZnO纳米颗粒（Ag-ZnO）在PANI基体中的引入，不仅能够改善PANI的导电性，还可能通过界面效应降低其热导率，从而显著提升整体的热电性能。

本研究的创新之处在于，首次系统地探讨了Ag-ZnO纳米颗粒在PANI基体中的引入对热电性能的影响。通过结合水热法和原位化学氧化聚合法，成功合成了不同重量百分比的Ag-ZnO/PANI纳米复合材料。研究团队使用了多种表征手段，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和紫外-可见光谱（UV–vis）等，以分析这些纳米复合材料的结构、形貌和光学特性。此外，通过霍尔效应测量和I-V测量，研究了载流子浓度、电荷迁移率和室温电导率等关键参数。温度依赖的Seebeck系数和电导率的测量则用于评估这些纳米复合材料的热电性能。

研究结果显示，随着Ag-ZnO纳米颗粒含量的增加，PANI的电导率和Seebeck系数均有所提升。其中，1% Ag-ZnO/PANI纳米复合材料表现出最显著的性能提升。其电导率达到了113.57 S/m，是纯PANI的四倍；其Seebeck系数优化至5.36 μV/K，使得功率因子提升了约3.8倍，达到3.27×10?3 μWm?1K?2。这些性能的提升主要归因于Ag-ZnO纳米颗粒所提供的更高效的导电路径以及其在界面处的能量过滤效应，从而有效优化了PANI的热电性能。

这一研究的成果表明，Ag-ZnO/PANI纳米复合材料在热电能量转换和废热回收领域具有广阔的应用前景。相较于传统无机热电材料，这种新型材料不仅具有较低的热导率，还能在一定程度上克服传统材料的环境和经济问题。因此，未来的研究可以进一步探索Ag-ZnO/PANI纳米复合材料在不同温度范围内的性能表现，以及其在实际应用场景中的稳定性和寿命问题。此外，还可以尝试与其他导电聚合物或纳米填料进行复合，以开发出更高效的热电材料。这些努力将有助于推动热电技术的发展，为实现可持续能源利用提供更多的可能性。