聚合物復(fù)合熱電材料研究取得系列進(jìn)展
熱電材料是一類基于固體內(nèi)部載流子運(yùn)動實現(xiàn)熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)換的能源材料，在廢熱或低品質(zhì)熱的發(fā)電與利用、局部制冷和傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。長期以來，有機(jī)聚合物及其復(fù)合熱電材料的研究進(jìn)展緩慢，與無機(jī)熱電材料形成鮮明對比。近年來，聚合物復(fù)合熱電材料取得了一些重要進(jìn)展，引起了人們的極大興趣。
在國家自然科學(xué)基金委和中科院青促會的資助下，中科院化學(xué)所陳光明副研究員與青島科技大學(xué)、國科大和國家納米中心等單位合作，在聚合物復(fù)合熱電材料領(lǐng)域取得了一系列研究進(jìn)展，主要結(jié)果如下：
1．通過無機(jī)碳納米粒子表面包覆導(dǎo)電聚合物提高熱電性能
利用導(dǎo)電聚合物與碳納米粒子的界面p-p相互作用，誘導(dǎo)苯式-醌式構(gòu)象轉(zhuǎn)變，形成聚合物有序結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)界面能量過濾效應(yīng)，從而解決了電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)難以同時提高的難題，制備了多種導(dǎo)電聚合物/碳納米粒子復(fù)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(fù)合熱電材料（J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 12395，期刊前封面)，并進(jìn)而發(fā)展了多種制備方法進(jìn)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(fù)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(fù)合材料薄膜（J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 526，ESI高被引論文）。
2．通過導(dǎo)電聚合物微納米結(jié)構(gòu)調(diào)控制備熱電材料
系統(tǒng)研究了PEDOT微納米結(jié)構(gòu)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(jī)理（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 20896）；發(fā)現(xiàn)PPy的微納米結(jié)構(gòu)同樣顯著影響了其熱電性能（Mater. Chem. Front., 2017, 1, 380）；對導(dǎo)電聚合物微納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種后處理，可進(jìn)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(gòu)筑了PPy納米線包覆在石墨烯表面的三維結(jié)構(gòu)（J. Mater. Chem. C, 2015, 3, 1649, Top Picks Collection）；制備了具有層狀結(jié)構(gòu)的PPy納米線/SWCNT（Compos. Sci. Technol., 2016, 129, 130）和具有珊瑚狀形貌的PEDOT/SWCNT復(fù)合熱電材料（Compos. Sci. Technol., 2017, 144, 43）。
3. 新型席夫堿聚合物/CNT復(fù)合熱電材料
制備了新型席夫堿聚合物/CNT復(fù)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(diào)控復(fù)合材料的熱電性能（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 11299, Hot Paper）。
4.石墨烯/SWCNT復(fù)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(fù)合多功能氣凝膠。該氣凝膠不僅質(zhì)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(jī)溶劑等多功能性質(zhì)（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 在線，DOI: 10.1021/acsami.7b04938）。
5. 有機(jī)n-型熱電材料
采用DETA還原-CaH2處理過程，使原始的p-型SWCNT轉(zhuǎn)變?yōu)閚-型SWCNT，在此基礎(chǔ)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(fù)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(fù)合熱電材料。其功率因子達(dá)到135±14 μW m-1 K-2，在此基礎(chǔ)上制得的熱電模塊輸出功率（DT = 50oC）可達(dá)3.3μW（ACS Nano, 2017, 11, 5746）。
應(yīng)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(fù)合水凝膠研究取得系列進(jìn)展
近十余年來，聚合物/無機(jī)粒子納米復(fù)合水凝膠由于其獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的機(jī)械力學(xué)性能等引起了人們的極大興趣，已經(jīng)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(jī)粒子（如粘土和氧化石墨烯等）和水凝膠的力學(xué)性能，急需開發(fā)新型無機(jī)粒子在聚合物納米復(fù)合水凝膠的應(yīng)用以及水凝膠的多功能性質(zhì)等研究。
層狀雙氫氧化物（layered double hydroxide，簡稱LDH）是一種層狀無機(jī)材料，具有結(jié)構(gòu)組成高度可調(diào)可控、層間陰離子交換和多功能性質(zhì)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于催化、聚合物熱穩(wěn)定劑、醫(yī)藥和耐紫外線等領(lǐng)域。但由于其難以在水中剝離分散，因此多年來未能成功應(yīng)用于聚合物納米復(fù)合水凝膠。中科院化學(xué)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(yīng)、光功能性質(zhì)、聚合物（PVC和PET等）納米復(fù)合材料功能性等的基礎(chǔ)上，近期提出了一系列聚合物/LDH納米復(fù)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(jī)溶劑甲酰胺（J. Mater. Chem., 2010, 20, 3869），制備了聚丙烯酰胺（PAM）/LDH納米復(fù)合水凝膠，并深入研究了其溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程與機(jī)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(diào)控物理交聯(lián)點間聚合物分子量和界面相互作用等機(jī)制，得到了具有高度可變形（拉伸、彎曲、打結(jié)、壓縮）和超級可拉伸性質(zhì)的PAM/LDH納米復(fù)合水凝膠，其原始水凝膠的斷裂應(yīng)變大于4000%，并發(fā)現(xiàn)其具有多尺度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Adv. Mater., 2014, 26, 5950，ESI高被引論文）。
近期，與青島科技大學(xué)李志波教授合作，繼續(xù)深入開展PAM/LDH納米復(fù)合水凝膠的力學(xué)與光功能性質(zhì)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(xué)性能的PAM//LDH納米復(fù)合水凝膠的新型制備方法（Soft Matter, 2015, 11, 9038）；合成了層板內(nèi)含有Tb3+和Eu3+二元稀土元素的LTb1?xEuxH-NO3，并在層間引入有機(jī)光敏劑水楊酸鈉（SA），制備的PAM/LTb1?xEuxH納米復(fù)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(lán)紫色），而且具有發(fā)光壽命長、量子產(chǎn)率高、發(fā)光性能高度可調(diào)等優(yōu)點（Small, 2017, 13, 1604070）；進(jìn)而，為提高SA的能量轉(zhuǎn)移效率，合成了層板內(nèi)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(diào)的PAM/LGd0.5Tb0.5?xEuxH納米復(fù)合水凝膠，提出了相關(guān)的級聯(lián)能量轉(zhuǎn)移過程機(jī)理（含Gd3+的LRH層板 ® SA ® Tb3+ ® Eu3+）（J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 5207）。
