聚合物復合熱電材料研究取得系列進展
熱電材料是一類基于固體內部載流子運動實現(xiàn)熱能與電能直接相互轉換的能源材料，在廢熱或低品質熱的發(fā)電與利用、局部制冷和傳感等領域具有廣泛的應用。長期以來，有機聚合物及其復合熱電材料的研究進展緩慢，與無機熱電材料形成鮮明對比。近年來，聚合物復合熱電材料取得了一些重要進展，引起了人們的極大興趣。
在國家自然科學基金委和中科院青促會的資助下，中科院化學所陳光明副研究員與青島科技大學、國科大和國家納米中心等單位合作，在聚合物復合熱電材料領域取得了一系列研究進展，主要結果如下：
1．通過無機碳納米粒子表面包覆導電聚合物提高熱電性能
利用導電聚合物與碳納米粒子的界面p-p相互作用，誘導苯式-醌式構象轉變，形成聚合物有序結構，增強界面能量過濾效應，從而解決了電導率和Seebeck系數(shù)難以同時提高的難題，制備了多種導電聚合物/碳納米粒子復合熱電材料。例如：首次采用原位聚合法制備了聚（3,4-乙撐二氧噻吩）（PEDOT）/石墨烯復合熱電材料（J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 12395，期刊前封面)，并進而發(fā)展了多種制備方法進一步提高其熱電性能（Chem. Asian J., 2015, 10, 1225）；系統(tǒng)研究了PSS對PEDOT/CNT復合材料制備和熱電性能的影響（Chem. Asian J., 2015, 10, 149, VIP 論文）；得到了具有超級柔性、可拉伸性能的大面積聚吡咯（PPy）/CNT復合材料薄膜（J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 526，ESI高被引論文）。
2．通過導電聚合物微納米結構調控制備熱電材料
系統(tǒng)研究了PEDOT微納米結構演變（包括納米線、納米管、納米棒、和納米球等）及其熱電性能與機理（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 20896）；發(fā)現(xiàn)PPy的微納米結構同樣顯著影響了其熱電性能（Mater. Chem. Front., 2017, 1, 380）；對導電聚合物微納米結構進行多種后處理，可進一步提高其熱電性能（J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 47）。
通過反相乳液聚合方法，構筑了PPy納米線包覆在石墨烯表面的三維結構（J. Mater. Chem. C, 2015, 3, 1649, Top Picks Collection）；制備了具有層狀結構的PPy納米線/SWCNT（Compos. Sci. Technol., 2016, 129, 130）和具有珊瑚狀形貌的PEDOT/SWCNT復合熱電材料（Compos. Sci. Technol., 2017, 144, 43）。
3. 新型席夫堿聚合物/CNT復合熱電材料
制備了新型席夫堿聚合物/CNT復合熱電材料，并可以通過制備方法、螯合過渡金屬離子等多種方式調控復合材料的熱電性能（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 11299, Hot Paper）。
4.石墨烯/SWCNT復合多功能氣凝膠
采用多次90oC還原-冰模板干燥的簡便方法，制備了石墨烯/SWCNT復合多功能氣凝膠。該氣凝膠不僅質輕、高彈性，而且具有優(yōu)異的熱電性能（ZT值約8.03′10-3）和高效吸收有機溶劑等多功能性質（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 在線，DOI: 10.1021/acsami.7b04938）。
5. 有機n-型熱電材料
采用DETA還原-CaH2處理過程，使原始的p-型SWCNT轉變?yōu)閚-型SWCNT，在此基礎上，制備的熱電模塊其最大輸出功率為649 nW（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 14187）。合成了氨基取代苝酰亞胺衍生物PDIN或NDIN，與SWCNT復合后，得到了具有優(yōu)異空氣穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的n-型復合熱電材料。其功率因子達到135±14 μW m-1 K-2，在此基礎上制得的熱電模塊輸出功率（DT = 50oC）可達3.3μW（ACS Nano, 2017, 11, 5746）。
應期刊主編邀請，發(fā)表綜述Compos. Sci. Technol., 2016, 124, 52（ESI高被引論文）和J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 4350。
聚合物/層狀雙氫氧化物納米復合水凝膠研究取得系列進展
近十余年來，聚合物/無機粒子納米復合水凝膠由于其獨特的三維網(wǎng)絡結構和優(yōu)異的機械力學性能等引起了人們的極大興趣，已經取得了一些重要的研究成果。但是，已有報道集中在少數(shù)幾種無機粒子（如粘土和氧化石墨烯等）和水凝膠的力學性能，急需開發(fā)新型無機粒子在聚合物納米復合水凝膠的應用以及水凝膠的多功能性質等研究。
層狀雙氫氧化物（layered double hydroxide，簡稱LDH）是一種層狀無機材料，具有結構組成高度可調可控、層間陰離子交換和多功能性質等優(yōu)點，廣泛應用于催化、聚合物熱穩(wěn)定劑、醫(yī)藥和耐紫外線等領域。但由于其難以在水中剝離分散，因此多年來未能成功應用于聚合物納米復合水凝膠。中科院化學所陳光明副研究員在十余年來深入開展LDH的可控制備、陰離子交換與接枝反應、光功能性質、聚合物（PVC和PET等）納米復合材料功能性等的基礎上，近期提出了一系列聚合物/LDH納米復合水凝膠綠色制備方法。例如：采用羥乙基磺酸鈉插層LDH（LDH-Ise）的水剝離分散液，有效避免了之前使用有毒有機溶劑甲酰胺（J. Mater. Chem., 2010, 20, 3869），制備了聚丙烯酰胺（PAM）/LDH納米復合水凝膠，并深入研究了其溶膠-凝膠轉變過程與機理（J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 13593）；隨后，采用原位聚合法，使LDH-Ise充分剝離并均勻分散，通過調控物理交聯(lián)點間聚合物分子量和界面相互作用等機制，得到了具有高度可變形（拉伸、彎曲、打結、壓縮）和超級可拉伸性質的PAM/LDH納米復合水凝膠，其原始水凝膠的斷裂應變大于4000%，并發(fā)現(xiàn)其具有多尺度網(wǎng)絡結構（Adv. Mater., 2014, 26, 5950，ESI高被引論文）。
近期，與青島科技大學李志波教授合作，繼續(xù)深入開展PAM/LDH納米復合水凝膠的力學與光功能性質研究。采用L-絲氨酸插層LDH，通過原位聚合過程，發(fā)展了具有優(yōu)異力學性能的PAM//LDH納米復合水凝膠的新型制備方法（Soft Matter, 2015, 11, 9038）；合成了層板內含有Tb3+和Eu3+二元稀土元素的LTb1?xEuxH-NO3，并在層間引入有機光敏劑水楊酸鈉（SA），制備的PAM/LTb1?xEuxH納米復合水凝膠表現(xiàn)出較寬波長范圍的多色發(fā)光現(xiàn)象（即綠色、黃色、橙色、橙紅色到藍紫色），而且具有發(fā)光壽命長、量子產率高、發(fā)光性能高度可調等優(yōu)點（Small, 2017, 13, 1604070）；進而，為提高SA的能量轉移效率，合成了層板內包含Gd3+、Tb3+和Eu3+三元稀土元素的LGd0.5Tb0.5?xEuxH-NO3，得到了具有發(fā)光功能高度可調的PAM/LGd0.5Tb0.5?xEuxH納米復合水凝膠，提出了相關的級聯(lián)能量轉移過程機理（含Gd3+的LRH層板 ® SA ® Tb3+ ® Eu3+）（J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 5207）。
