[发明专利]一种高电导率有机水凝胶的制备方法及器件

说明书

本发明公开一种高电导率纯有机水凝胶的制备方法及器件，将PEDOT:PSS与掺杂剂混合，然后滴涂在基底上，干燥，得到PEDOT:PSS自支撑薄膜；将PEDOT:PSS自支撑薄膜退火后，浸入丙三醇的水溶液或金属盐的水溶液中，得到高电导率有机水凝胶。将这种水凝胶裁剪成长条状，通过导电银浆或者铜箔连接起来，得到器件。本发明成功制备电导率最高的水凝胶材料，并将其应用于制备热电器件，除此之外由于水凝胶具有高电导率还能用于电磁屏蔽领域，电磁屏蔽性能是目前同类材料中最高值。水凝胶的电导率受形变的影响，因此本发明制备的水凝胶还能用于应变传感器。

技术领域

本发明属于半导体热电材料领域，具体涉及一种基于高电导率有机水凝胶的制备方法及器件。

背景技术

PEDOT是有机热电领域最常用的导电聚合物，但是没有经过处理的PEDOT难溶，不易加工，通常使PEDOT与聚苯乙烯磺酸盐(PSS)混合组成PEDOT:PSS增加溶解性。因为PEDOT:PSS通常具有较低的热导率(0.1-0.7W/m-K²)【Nano Energy 51,481(2018)；Adv.Mater.27,6855(2015)】，提高功率因子(PF)，即可有效提高PEDOT:PSS的热电优值(ZT值)。由公式PF＝σ²×S，式中σ是电导率，S是塞贝克系数，可知，功率因子与S和σ成正比，而S和σ之间存在耦合关系，在改进一个参数时会牺牲另一个参数。据报道，增加S可以有效地增加材料的PF值和ZT值。然而提高聚合物的塞贝克系数的同时通常电导率会减小，使聚合物薄膜具有高内阻，从而降低热电器件的输出功率【J.Mater.Chem.A 9,310(2021)】。因此提高PEDOT薄膜热电性能的常用方法仍然是增加电导率。

由于PSS是绝缘的，聚合物PEDOT:PSS的导电性低(10S/cm)【Adv.Mater.24,2436(2012)；Adv.Mater.20,4061(2008)】。常用的提高溶液加工的PEDOT:PSS的电导率的方法是通过极性溶剂【Adv.Mater.20,4061(2008)；Adv.Funct.Mater.21,1076(2011)】、酸【Adv.Mater.24,2436(2012)；Adv.Mater.26,2268(2014)】、无机盐/有机盐【ACSAppl.Mater.Interfaces 8,11629(2016)；Macromolecules 42,4141(2009)】和离子液体【Sci.Adv.3,e1602076(2017)；Adv.Mater.28,8625(2016)】使PEDOT和PSS发生相分离，产生导电PEDOT聚集体。PEDOT:PSS被离子液掺杂后具有高达2000-4000S/cm【Nat.Mater.12,719(2013)；Energy Environ.Sci.13,3480(2020)】的电导率，但是大多数的工作仅限于薄膜，这些薄膜通常易碎且制备效率低、难以扩大生产规模、不能满足可穿戴设备应用的需求。

水凝胶具有富含水的性质和类似组织的机械性能比薄膜更接近生物组织，但是水凝胶的电导率较低，科研工作者正致力于提高水凝胶材料的电导率。斯坦福大学的鲍哲南教授及其同事通过互穿法调整了PEDOT:PSS水凝胶的机械性能【Nat.Commun.9,2740(2018)】，获得的PEDOT:PSS水凝胶的最大电导率为0.23S/cm。尽管取得了一些成果，但是因为这些PEDOT:PSS水凝胶大多通过将与非导电明胶混合来制备【Adv.Mater.29,1700974(2017)】，所以大多数水凝胶的电导率很低，在10^-4-1S/cm范围内，比薄膜的电导率低几个数量级。低电导率将会限制水凝胶在新兴的水凝胶生物电子学领域的应用【Chem.Soc.Rev.48,1642(2019)；Sci.Adv.2,e1601007(2016)；Nat.Commun.10,1043(2019)】。