张鹏课题组基于同步辐射技术在聚合物热电材料结构和设计方面取得新进展

聚合物热电材料是一类可以实现热与电直接转换的清洁能源材料，这类材料可溶液加工、低毒、质轻价廉、具有优异的柔韧性，在柔性电子领域具有潜在应用价值。聚(3,4-二氧乙撑噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)，是当前最受关注、应用最为广泛的一种有机热电材料。然而，商业化的PEDOT:PSS薄膜的电导率只有1 S cm^-1左右，限制了其热电性能。近年来，研究人员通过二次掺杂的形式来调控PEDOT:PSS杂化材料的微观结构，期待进一步提高材料的热电性能。

图1.同步辐射X射线（SAXS）和中子（SANS）散射技术联用深度解析IL掺杂PEDOT:PSS溶液的微观结构。

鉴于此，中山大学张鹏副教授课题组利用同步辐射X射线（SAXS）和中子(SANS)散射技术解析了PEDOT:PSS杂化材料在溶液和薄膜状态的微观结构，成功制备出高性能有机热电材料。基于课题组前期的工作（npj flexible electronics, 2022, 6, 1; ACS Applied Polymer Materials 2021,3,98.）, 本工作以含1-乙基-3-甲基咪唑阳离子（EMIM）的一系列离子液体（IL）作为二次掺杂剂，系统研究了IL化学组成、摩尔配比等对二次掺杂PEDOT:PSS微观结构的影响。如图1和图2所示，基于同步辐射SAXS和SANS技术解析了PEDOT:PSS/IL杂化材料的复杂多尺度结构。该实验结果与薄膜材料的热电性能相结合，深入揭示了PEDOT基热电材料结构和性能之间的关联机制。基于此，他们首次成功制备了无需后处理、功率因子高达190 μW m⁻¹ K⁻²的有机热电材料。对比研究文献，该工作实现了无需后处理高性能热电材料设计的突破，为柔性热电器件的规模化制备提供了新方向。

图2. 同步辐射SAXS技术解析IL掺杂PEDOT:PSS薄膜内的导电微区结构。

相关成果以“High-performance post-treatment-free PEDOT based thermoelectric with the establishment of long-range ordered conductive paths”为题，李鑫博士生为第一作者，刘真博士和张鹏副教授为通讯作者发表于期刊Chemical Engineering Journal。中山大学材料科学与工程学院为论文第一完成单位。该研究工作得到国家自然科学基金、北京光源、澳洲中子科学技术中心（ACNS）及上海光源的大力支持。 

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722055279?dgcid=author

初审：袁湛楠

审核：田雪林、许俊卿

审核发布：李伯军