一种热电材料及其制备方法和应用

本发明涉及热电转换，特别涉及一种热电材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前，由于不可再生能源的逐渐枯竭，全球面临严重的能源危机和环境污染，新型清洁可持续的能源越来越受到人们的重视。生活中随处可见的能量，如空气中的热量、海水中的热量、大地中的热量，工厂生产过程中产生的大量的余热、废热，以及汽车尾气排放的热量等等都是低品位热能，如何收集并使用这些低品位热能，这对能源的转换与储存发展提供新探索方向。

2、传统的半导体热电发电机和超级电容器虽然可以实现能源的转换与储存，但是其塞贝克系数小、工作温度范围小、机械脆性和成本过高等问题限制其在多种自供能设备、多功能型能源器件上的应用发展。而离子导体水凝胶利用离子热扩散作用进行热电转换，收集低品级热能并转化为电能为用电器供电，具有成本低廉、塞贝克系数高、柔软易加工等优势，被广泛认为是有前景的新型绿色环保能源转换功能材料。水凝胶聚合物分子链互相连接或缠绕，形成空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的阴阳离子，为离子凝胶提供了较高的拉伸强度，同时网状结构也为离子的运动提供了通道，水凝胶可具有出色的电学性能，因此导电水凝胶已成为一种非常重要的柔性导体系列材料，在电子皮肤、可穿戴器件以及可植入式器件等领域获得广泛的关注与研究。

3、但是单一离子构成的水凝胶尚具有一些不足，例如，离子的迁移速率较慢导致材料的电压和输出功率较低等问题，且对于温差条件改变响应时间较长，无法长时间循环使用。因此，目前的离子构成的热电水凝胶仍有待改善。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明的目的在于提供一种热电材料，其具有良好的热电性能、能源转换性能以及持续输出性能，可实现高面积电容与高功率密度输出。

2、为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

3、本发明的第一个方面提出了一种热电材料。

4、本发明的第二个方面提出了一种热电材料的制备方法。

5、本发明的第三个方面提出了一种热电转换器件。

6、本发明的第四个方面提出了一种热电材料的应用。

7、根据本发明的第一个方面，提出了一种热电材料，包括对苯醌、氢离子和聚合物水凝胶的混合物。

8、在本发明的一些实施方式中，所述聚合物水凝胶包括聚丙烯酸丙烯酰胺、聚丙烯酰胺中的至少一种。

9、在本发明的一些实施方式中，所述混合物中氢离子的浓度为0.2mol/l～0.5mol/l。

10、在本发明的一些实施方式中，所述混合物中对苯醌的浓度为0.01mol/l～0.1mol/l。

11、根据本发明的第二个方面，提出了一种第一方面所述的热电材料的制备方法，包括：

12、将聚合物水凝胶浸入对苯醌酸性溶液中透析，得到所述热电材料。

13、在本发明的一些实施方式中，所述聚合物水凝胶与对苯醌酸性溶液的质量体积比为1g：0.1～0.4ml。

14、在本发明的一些实施方式中，所述对苯醌酸性水溶液中对苯醌的浓度为0.01mol/l～0.1mol/l。

15、在本发明的一些实施方式中，所述对苯醌酸性水溶液中氢离子的浓度为0.25mol/l～0.75mol/l。

16、在本发明的一些实施方式中，所述透析的时间为48h～72h。

17、在本发明的一些优选的实施方式中，所述聚合物水凝胶的制备方法包括：将水凝胶单体、引发剂、交联剂、加速剂在水中混合反应，得到聚合物水凝胶。

18、在本发明的一些优选的实施方式中，所述水凝胶单体包括丙烯酸盐、丙烯酰胺中的至少一种。

19、在本发明的一些优选的实施方式中，所述引发剂为过硫酸盐。

20、在本发明的一些优选的实施方式中，所述引发剂包括过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠中的至少一种。

21、在本发明的一些优选的实施方式中，所述交联剂为丙烯酰胺类交联剂。

22、在本发明的一些优选的实施方式中，所述交联剂包括n,n′-亚甲基双丙烯酰胺。

23、在本发明的一些优选的实施方式中，所述加速剂为多元胺类加速剂。

24、在本发明的一些优选的实施方式中，所述加速剂包括四甲基乙二胺。

25、在本发明的一些优选的实施方式中，所述水凝胶单体、引发剂、交联剂、加速剂的摩尔比为1000：0.8～1.2：0.8～1.2：0.4～0.6。

26、在本发明的一些优选的实施方式中，所述反应的温度为20℃～25℃，时间为20min～40min。

27、在本发明的一些优选的实施方式中，所述对苯醌酸性水溶液的制备包括：将对苯醌溶解在强酸溶液中，即得。

28、根据本发明的第三个方面，提出了一种热电转换器件，包括第一方面所述的热电材料和电极，所述热电材料与所述电极按照电极-热电材料-电极的顺序组装，构成类“三明治”的结构。

29、在本发明的一些实施方式中，所述电极选自碳电极、铂电极、金电极中的一种。

30、在本发明的一些实施方式中，所述热电转换器件包括发电机、传感器。

31、在本发明中，向聚合水凝胶中引入酸性环境中的对苯醌，在存在温差条件下由于索雷特效应，水凝胶中的离子发生定向迁移，在两端电极与电解质界面形成双电层，产生电压；同时由于水凝胶中定向氢离子迁移产生离子势差，对苯醌在水凝胶两端进行pcet反应(原理可理解为对苯醌的氧化还原反应)，在水凝胶中结合释放氢离子并向电极释放吸收电子产生电势差，形成电压；即离子热扩散效应(索雷特效应)和对苯醌的pcet反应二者协同产生电压，同时由于存在对苯醌在凝胶中的氧化还原反应放电，使得含有热电材料的器件的持续输出性能有明显大幅提升。

32、在本发明的一些实施方式中，所述热电转换器件的工作温度区间为0℃～30℃。

33、根据本发明的第四个方面，提出了一种热电材料在制备传感器或发电机中的应用。

34、本发明的有益效果是：

35、本发明的热电材料具有热电性能好、持续输出性能高的特点。

36、本发明的热电材料制备的单个器件的开路电压可以达到530mv，对应的最大功率密度可达558.6mw/m2，展示出本发明在离子热扩散效应(索雷特效应)和对苯醌的pcet反应二者协同产生的巨大热电压以及高功率。

37、本发明的热电材料制备的热电发电机在20k温差下可以得到530mv热电压，最高能够收获42.5mv/k的塞贝克系数，理论可达558mw/m2的功率密度，在持续1小时3kω负载输出下，能量密度达243j/m2，并且在负载下稳定持续输出8h。

技术特征：

1.一种热电材料，其特征在于，包括对苯醌、氢离子和聚合物水凝胶的混合物。

2.根据权利要求1所述的一种热电材料，其特征在于，所述混合物中对苯醌的浓度为0.01mol/l～0.1mol/l。

3.根据权利要求1所述的一种热电材料，其特征在于，所述混合物中氢离子的浓度为0.2mol/l～0.5mol/l。

4.根据权利要求1所述的一种热电材料，其特征在于，所述聚合物水凝胶包括聚丙烯酸丙烯酰胺、聚丙烯酰胺中的至少一种。

5.权利要求1～4任一项所述的热电材料的制备方法，其特征在于，包括：将聚合物水凝胶浸入对苯醌酸性溶液中透析，得到所述热电材料。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物水凝胶与对苯醌酸性溶液的质量体积比为1g：0.1～0.4ml。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述对苯醌酸性水溶液中对苯醌的浓度为0.01mol/l～0.1mol/l。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述透析的时间为48h～72h。

9.一种热电转换器件，其特征在于，包括权利要求1～4任一项所述的热电材料和电极，所述热电材料与所述电极按照电极-热电材料-电极的顺序组装。

10.权利要求1～4任一项所述的热电材料在制备传感器或发电机中的应用。

技术总结
本发明公开了一种热电材料及其制备方法和应用。本发明的热电材料包括对苯醌、氢离子和聚合物水凝胶的混合物。本发明的热电材料具有热电性能好、持续输出性能高的特点。使用本发明的热电材料制备的器件，离子热扩散效应和对苯醌的PCET反应二者协同产生电压，同时由于存在对苯醌在凝胶中的氧化还原反应放电，可以使得器件的持续输出性能有明显大幅提升。

技术研发人员：王阳,曾炜,戴永强
受保护的技术使用者：广东省科学院化工研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13