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国科大郭存悦/深大陈光明、杜春雨 CEJ：有机碳化修饰碳纳米管及其高温稳定热电性能

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-02-14 11:51

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热电材料能够将低品位热能或废热直接转化为电能，其中有机/无机复合热电材料近年来发展迅猛，在可穿戴电子、人工智能、火灾预警、物联网和智慧建筑等领域具有广泛的应用前景。然而，此类材料难于耐高温，或者存在高温下性能退化等问题，限制了其在极端环境条件中的应用。

近日， 国科大郭存悦与深圳大学陈光明课题组 合作研究，采用有机碳化修饰的方法制备了具有高温稳定热电性能的碳纳米管基复合材料。该研究利用聚多巴胺（ PDA ）作为连接剂，将碳纳米管与碳化葡萄糖结合，形成了一层保护性碳化层（图1）。该保护层增强了碳纳米管表面的电子传输特性，并显著提高了材料的耐高温性能，从而提升了其高温热电稳定性。该复合材料在 513 K 下表现出优异的电导率（ 101.6 ± 40.1 S cm ⁻¹ ）和 Seebeck 系数（ 48.5 ± 1.6 µV K ⁻¹ ），功率因子为 238.5 ± 11.2 µW m ⁻¹ K ⁻² 。在 310 K 温差下，功率密度达到 0.156 µW cm ⁻² K ⁻² ，显著优于多数报道的有机-无机复合材料。

图 1. 碳纳米管复合材料的制备过程示意图

图 2. 碳纳米管复合材料的结构表征

如图 2 所示， SEM 和 TEM 的复合材料的微观结构分析发现碳化葡萄糖在碳纳米管表面形成了致密的保护层，有效减少了高温下的氧化缺陷。 FTIR 光谱和拉曼光谱分析进一步证实了碳化层的形成及其对材料热电性能的提升作用。 XPS 能谱分析表明碳化层显著降低了碳纳米管在高温下的氧化程度，从而提高了材料的热电稳定性。

图 3. 碳纳米管复合材料的热电性能

图 4. 碳纳米管复合材料的高温热电性能及机制分析

图 3 和图 4 结果表明：复合材料具有优异的热电性能。在 513 K 下，复合材料的功率因子达到 238.5 ± 11.2 µW m ⁻¹ K ⁻² 。相比之下，未经修饰的碳纳米管在相同温度下的热电性能显著降低。该复合材料的优异性能归因于碳化层的保护作用，以及其在高温下形成的纳米碳结构对载流子传输的促进作用。

图 5. 碳纳米管复合材料组装的 TEG 性能

进而，制备了基于该复合材料的热电发电机（ TEG ）。图 5 表明，在 310 K 温差下， TEG 输出功率密度为 0.154 µW cm⁻² K⁻² ，表现出优异的热电转换性能。该 TEG 在高温环境下表现出良好的稳定性，适用于极端环境中的自供电应用。

上述研究成果以 " Organic carbonization modification of carbon nanotubes with stable thermoelectric performance at high temperature " 为题在线发表在《 Chemical Engineering Journal 》上。该论文的共同第一作者为霍炳臣和刘爽，通讯作者为国科大 郭存悦 教授、深圳大学 陈光明 教授和 杜春雨 副研究员。该研究得到了国家自然科学基金的资助，以及深圳大学丽湖校区仪器分析中心和国家纳米科学中心王汉夫副研究员在 SEM 测试和导热性能方面的帮助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160213

国科大郭存悦/深大陈光明、杜春雨 CEJ：有机碳化修饰碳纳米管及其高温稳定热电性能

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