Polyaniline composites as thermoelectric materials
Termoelektrik malzeme olarak polianilin kompozitleri
- Tez No: 825112
- Danışmanlar: DOÇ. DR. CHAOBİN HE, DR. FUKE WANG
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Energy, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: National University of Singapore (NUS)
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 162
Özet
Termoelektrik malzemeler atık ısıyı dönüştürme yetenekleri sayesinde dikkat çekmektedir. Şimdiye kadar en yüksek verimliliğe sahip en iyi termoelektrik malzemeler Bi2Te3 ve PbTe gibi inorganik malzemelerdir, ancak bunlar toksik, kıt ve pahalıdır. Bu nedenle çevre dostu, hafif ve esnek organik termoelektrik malzemeler termoelektrik uygulamalarda daha fazla ilgi görmeye başlamıştır. Bunlar arasında PANI ve PANI bazlı malzemeler, kolay sentezlenmesi, düşük maliyeti ve mükemmel çevresel stabilitesi nedeniyle özel ilgi görmektedir. Ancak PANI bazlı organik malzemelerin termoelektrik performansı, en son teknoloji ürünü inorganik termoelektrik malzemelerle karşılaştırıldığında hala daha düşüktür. Bu tezde, gelişen yüksek performanslı organik termoelektrik cihaz malzemelerine odaklanarak PANI ve PANI bazlı malzemelerin yapıları ve termoelektrik özellikleri arasındaki ilişkiyi araştırıyoruz. İlk olarak, tek başına PANI'nin elektriksel iletkenliğinin, düzenli istiflemeyle yüksek düzeyde düzenli PANI nanofiberleri hazırlayarak geliştirilebileceğini gösterdik. Çalışmamız, üretim adımından başlayarak sentez sıcaklığını basitçe değiştirerek PANI'nin nanofiber çapları ve kristallik gibi nanoyapısını ve mikroyapılarını kontrol etmenin basit bir yolunu gösterdi. Sonuç olarak, sentezlenen -192 C PANI'nin (kuvvetli asit içermeyen) elektriksel iletkenliği yaklaşık 1.12x10-2 S/cm'ye ulaştı; ki bu, benzer koşullar altında daha yüksek sıcaklıklarda sentezlenen PANI'nin iletkenliğinden çok daha yüksektir. Ancak elde edilen PANI'nin elektriksel iletkenliği hala en son teknolojiye sahip inorganik termoelektrik malzemelerle rekabet edecek kadar yüksek değildi ve bu nedenle odağımızı PANI bazlı kompozitlere kaydırdık. Yaygın olarak kullanılan işlevselleştirilmemiş CNT'ler yerine ikili a-CNT//PANI kompozitleri hazırlamak için amin işlevselleştirilmiş SWNT/DWNT'lerin (a-CNT'ler) kullanılmasını önerdik. Amin işlevselleştirmesi, CNT ve PANI arasında daha iyi konjugasyon sağladı ve elektriksel taşıma özelliklerini geliştirdi. Sonuç olarak, CNT/PANI kompoziti için yaklaşık ~2730 S/cm'lik en yüksek elektrik iletkenliğine ulaştık; ki bu, daha önce bildirilen sistemlerle karşılaştırıldığında çok daha yüksektir. Bununla birlikte, yüksek iletkenlik, Seebeck katsayısını ve dolayısıyla güç faktörünü sınırlayan yüksek taşıyıcı konsantrasyonu yoluyla elde edildi. Yine de PANI bazlı kompozitler arasında en yüksek değerlerden biri olan ~100 mikroW/mK2'lik en yüksek güç faktörüne %70 a-CNT/%30 PANI kompozitlerinde ulaşıldı. Taşıyıcı konsantrasyonunu azaltmak ve güç faktörünü daha da geliştirmek için, ikili a-CNT/PANI sistemine başka bir fazın (yalıtkan SiO2 ve yarı iletken TiO2) eklenmesini önerdik. Her iki dolgu maddesinin eklenmesiyle, üçlü kompozitlerde taşıyıcı konsantrasyonu azaltıldı ve Seebeck katsayısı iyileştirildi; ki bu durum, taşıyıcı hareketliliği ve elektriksel iletkenlik kaybıyla birlikte ortaya çıktı. Yüksek bant aralığına (~9 eV) sahip SiO2 eklenmesi durumunda genel güç faktörü azaldı. TiO2 eklenmesi durumunda (Eg= ~3.2 eV), taşıyıcı hareketliliği ve iletkenliğindeki azalma nispeten daha düşüktü. Ayrıca, SiO2 dolgu maddesiyle karşılaştırıldığında TiO2/a-CNT ve TiO2/PANI arayüzlerinde daha az enerji bariyeri yüksekliği nedeniyle Seebeck katsayısı, enerji filtreleme etkisi yoluyla düşük enerjili taşıyıcıların seçici saçılmasıyla da geliştirilebildi. Sonuç olarak, üçlü TiO2/a-CNT/PANI kompozitlerinde genel güç faktörü iyileştirildi ve %30TiO2/%70(%70aCNT-30%PANI) üçlü kompozit için yaklaşık ~115 mikroW/mK2'de maksimum güç faktörüne ulaşıldı; ki bu, organik bazlı üçlü kompozitlerde elde edilen en yüksek raporlardan biridir. TE performansı üzerindeki taşıyıcı tipinin etkisinin daha iyi anlaşılması için, hem n-tipi hem de p-tipi TiO2 kullanılarak TiO2/CNT/PANI üçlü kompozitleri üretilmiş ve incelenmiştir. a-CNT/PANI'nin p tipi ve ticari TiO2'nin n tipi yarı iletken malzeme olması nedeniyle, her iki taşıyıcı tipi de üçlü kompozitin soğuk tarafına doğru hareket edeceğinden azınlık taşıyıcı telafisi nedeniyle ulaşılabilecek maksimum Seebeck katsayısının azalmasına neden olabilir. Bu nedenle taşıyıcı tipi etkisinin incelenmesi kompozit malzeme tasarımı açısından kritik öneme sahip olacaktır. Sonuçlarımız, p-tipi a-CNT/PANI'ye kusurlu p-tipi TiO2 eklendiğinde Seebeck katsayısı ve güç faktöründe daha önemli bir iyileşme elde edildiğini gösterdi. Bunun nedeni, n-tipi TiO2 ilavesi durumunda, p-tipi üçlü kompozitin Seebeck katsayısının bir kısmının, azınlık taşıyıcı telafisinden dolayı n-tipi TiO2 tarafından azaltılmış olmasıdır. Azınlık taşıyıcı kompanzasyonu tartışılmış olmasına rağmen, özellikle organik termoelektrik sistemler için deneysel kanıtları belirsiz kalmıştır. Bu nedenle Bölüm 5'teki çalışmamız, üçlü TiO2/a CNT/PANI sisteminde taşıyıcı tipinin ve azınlık taşıyıcı telafisinin etkisini deneysel olarak göstermek açısından önemlidir.
Özet (Çeviri)
Thermoelectric materials are attracting attention due to their ability to convert waste heat. So far, the best thermoelectric materials with highest efficiencies are inorganic materials like Bi2Te3 and PbTe, however they are toxic, scarce, and expensive. Therefore, environmentally friendly, lightweight and flexible organic thermoelectric materials are started to receive more attention in thermoelectric applications. Among them, PANI and PANI based materials are receiving a special interest due to easy synthesis, low cost, and excellent environmental stability. However, thermoelectric performance of PANI-based organic materials is still lower as compared to the state-of-the-art inorganic thermoelectric materials. In the present thesis, we investigate the relationship between the structures and thermoelectric properties of the PANI and PANI based materials, with a focus on the developing high-performance organic thermoelectric devices materials. First, we showed that the electrical conductivity of neat PANI could be improved by preparing highly ordered PANI nanofibers with regular stacking. Our study demonstrated a straightforward way to control the nanostructure and microstructures of PANI such as nanofiber diameters and crystallinity by simply altering the synthesis temperature starting from the assembly step. Consequently, the electrical conductivity of -192 C as-synthesized PANI (without a strong acid) reached to about 1.12x10-2 S/cm, which is much higher than the conductivities of PANI synthesized at higher temperatures, under the similar conditions. However, the electrical conductivity of ordered PANI was still not high enough to compete with the state-of-the-art inorganic thermoelectric materials, and thus, we shifted our focus to PANI based composites. We proposed to use amine functionalized SWNT/DWNTs (a-CNTs) to prepare binary a-CNT//PANI composites, rather than commonly used nonfunctionalized CNTs. Amine functionalization provided better conjugation between CNT and PANI, and improved electrical transport properties. Consequently, we reached the highest electrical conductivity for the CNT/PANI composite of about ~2730 S/cm, which is much higher as compared to previously reported systems. However, high conductivity is reacted to a high carrier concentration, which limited the Seebeck coefficient, and hence the power factor. The highest power factor of ~100 W/mK2 was reached at 70% a-CNT/ 30% PANI composites, which is one of the highest values among PANI based composites. To decrease carrier concentration and to further improve the power factor, we proposed to introduce another phase (insulating SiO2 and semiconducting TiO2) into the binary a-CNT/PANI system. By the addition of both fillers, the carrier concentration was reduced and Seebeck coefficient was improved in the ternary composites, which were accompanied with a loss of carrier mobility, and electrical conductivity. Overall power factor was reduced in the case of SiO2 which was ascribed to its high band gap (~9 eV). For the case of TiO2 (Eg= ~3.2 eV), the decrease of carrier mobility and conductivity was relatively lower. Moreover, due to the less energy barrier heights at the TiO2/a-CNT and TiO2/PANI interfaces as compared to SiO2 filler, the Seebeck coefficient might also be improved by the selective scattering of low energy carriers via energy filtering effect. Consequently, the overall power factor was improved in the ternary TiO2/a-CNT/PANI composites, and the maximum power factor was reached at about ~115 W/mK2 for the ternary composite of 30%TiO2/70%(70%a-CNT30%/PANI), which is among one of the highest reports in organic based ternary composites. To have a better understanding of the carrier type effect on the TE performance, ternary composites TiO2/CNT/PANI by using both n-type and p-type TiO2 were fabricated and studied. Because the a-CNT/PANI is p-type and commercial TiO2 is n-type semiconducting material, it might cause the reduction of actual Seebeck coefficient because of the minority carrier compensation as both carrier types will move to the cold side of the ternary composite. Therefore, study of the carrier type effect will be of critical important for the composite materials design. Our results showed that more significant improvement of Seebeck coefficient and power factor were gained when defected p-type TiO2 was introduced to p-type a-CNT/PANI. This is because in the case of n-type TiO2 addition, some portion of the Seebeck coefficient of p-type ternary composite was reduced by the n-type TiO2 due to minority carrier compensation. Although the minority carrier compensation has been discussed, its experimental proofs were remained elusive, particularly for organic thermoelectric systems. Therefore, our study in chapter 5 is important to experimentally demonstrate the effect of carrier type and minority carrier compensation in the ternary TiO2/a CNT/PANI system
Benzer Tezler
- Organik maddelerle katkılandırılarak iletken polimerlerin termoelektrik özelliklerinin arttırılması
Enhancing thermoelectric properties of conductive polymers by filling with organic substances
VOLKAN UĞRAŞKAN
- Hurma çekirdeği temelli aktif karbon/polianilin kompozitlerinin üretimi ve değerlendirilmesi
Production and evaluation of the composites of activated carbon/ polyaniline based on date palm stone
ABDUL AZIZ ABDUL RAHIM
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiEskişehir Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FUNDA ATEŞ
- Polianilin-asit sübstitüe fosfazen iletken kompozitlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of conductive polyaniline-phosphazene composites
ZEYNEP ALTINBARIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
KimyaGebze Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FERDA HACIVELİOĞLU
- Synthesis of conducting polymers and investigation of their electrical properties
İletken polimerlerin sentezi ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi
ESMA AHLATCIOĞLU
Doktora
İngilizce
2015
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
DOÇ. DR. MUSTAFA OKUTAN
- İyonizan radyasyon zırhlaması için polianilin içeren kompozitlerin kullanımının incelenmesi
Investigation of the use of polyaniline containing composites for ionizing radiation shielding
DENİZ AGEHAN YALÇINKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEVİLAY HACIYAKUPOĞLU