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能量收集?测定“tinkertoy”(组装式)材料热电性能
发布:lee_9124   时间:2015/5/25 12:05:03   阅读:808 
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研究人员首次测量了多孔金属有机骨架(metal-organic framework,MOF)的热电性能,这可能发展一类全新的材料,可应用于冷却计算机芯片和摄像头以及能量收集。


该操场结构表示一个具有传奇色彩的多孔金属有机骨架,由左上角按顺时针方向分别是Sandia National Laboratories研究团队的Michael Foster、Vitalie Stavila、Catalin Spataru、François Léonard、Mark Allendorf、Alec Talin和Reese Jones。该团队首次测定了MOF的热电行为。图片来源:Dino Vournas, Sandia National Laboratories

Sandia国家实验室(Sandia National Laboratories)研究人员首次测量了多孔金属有机骨架(metal-organic framework,MOF)的热电性能,这可能发展一类全新的材料,可应用于冷却计算机芯片和摄像头以及能量收集。

“研究结果显示这类新的热电材料MOFs可实现定制和优化。” Sandia物理学家François Léonard说,“这项发现使得我们进一步实现MOFs的实际应用。”

该研究结果以“具有高塞贝克系数及低热导率的热电金属有机骨架薄膜(Thin Film Thermoelectric Metal-Organic Framework with High Seebeck Coefficient and Low Thermal Conductivity)”为名在线发表于4月28日的《先进材料》(Advanced Materials)上。该研究建立在Sandia研究团队2014年发表于《科学》(Science)期刊上关于测定tetracyanoquinodimethane(TCNQ)分子渗透MOF的电导研究的基础上。
“事实上,TCNQ填充的MOF导电性特别好,令我们对其热电性充满希望,但这不是确定的。”Sandia高级科学家Mark Allendorf说,“我们发现像碲化铋这样的最佳导电材料不仅仅具有热电性,还有良好的温度转换效率。”
热电装置将热能转换为电能,且不移动部件,使其在冷却及能量收集领域具有非常大的吸引力。热电MOFs能够具有进一步提高性能、缩小尺寸以及柔性设计等优点。

研究人员同时对这些新型材料的电荷输运性质有了一个基本认识,促成MOFs在电子及光电子器件应用领域的长远目标。

客体@MOF概念(Guest@MOF concept described)

被称为“分子装配式玩具(molecular tinker toys)”的MOF具有类似于分子手脚架的晶体结构,由刚性有机分子与金属离子连接而成。有机分子为棍,金属离子为棒。

有机和无机的杂化产生了不同寻常的性能组合:纳米多孔、超大比表面积、良好的热稳定性,这些都是化学家寻求新材料所关注的。由有机分子和金属离子架构的空间是真正区分MOFs的——这些空间可用任何小分子进行填充。
“我们将这种概念称之为客体@MOF,客体材料为可填充进MOF孔隙中的任何小分子。”Sandia材料学家Alec Talin解释,“在化学领域,可合成各种填充MOF的分子,用于改变其性质。优化材料时有很多的选择。”

MOF促进有效能量转换(MOF-enabled efficient energy conversion)

研究人员不得不制定一个测量TCNQ@MOF热电性能的方法,此处TCNQ作为客体分子。MOFs是发现于1999年的新材料,研究人员经常发现对科学前沿的研究没有合适的工具,甚至对材料基本性质也不甚了解。

Léonard、Talin和前Sandia博士后研究员Kristopher Erickson通过连接Peltier加热器和冷却器至TCNQ@MOF薄膜的两端产生一个具有微小温度梯度的热电装置。利用红外摄像头精确测量了这个温度梯度,并同时测量了产生的电压。每一单位温度改变引起的电压称之为塞贝克系数(Seebeck coefficient)。

弗吉尼亚大学(University of Virginia )机械工程助理教授Patrick Hopkins及其研究生Brian M. Foley采用激光技术测定了热导率。

测量结果令人兴奋。TCNQ@MOF具有高塞贝克系数和低热导率,这是热电效率的两个重要指标。其中塞贝克系数与最佳的固态热电材料之一的碲化铋相当。

“下一步是如何做得更好。”Allendorf说,“不仅仅要与固态材料竞争能量转换,我们还认为可以进一步提高以获得更好的导电性。”

测量促进对电子结构的基本理解(Measurements yield fundamental understanding of electronic structure)

测量还获得了对TCNQ@MOF电子结构基本理解所需的数据。Sandia物理学家Catalin Spataru和材料学家Mike Foster对TCNQ@MOF进行了详细的电子结构计算,Sandia材料学家Reese Jones对其热导进行模拟。

“我们试图解释客体分子TCNQ渗入MOF孔隙中的作用。发现通过计算机模拟代表性的TCNQ@MOF体系特别具有挑战性,因为我们无法解释客体分子如何形成有序结构。“Spataru如是说。

通过模拟,研究人员验证了载流子输运源并确定TCNQ@MOF是p型材料。晶体管和二极管方面的应用要求p型和n型半导体。

“我们正在寻找一种与MOF结合能产生与TCNQ@MOF性质相似的n型半导体的分子。”Léonard说,“一旦发现,将可用于创建一个完整的热电装置。”

MOF用于太空、智能手机以及汽车领域(MOFs in space, smartphones and cars)

一旦热电MOF具有足够的能量转换效率,将可以取代现有的冷却方式(这些装置都紧凑且笨重)。举个例子,安装于卫星上的相机需要不间断的冷却。用热电MOFs更换计算机芯片上的风扇可降低笔记本电脑、智能手机以及其他便携式电子产品的重量,并减小那些最终都会磨损的运动部件的数量。
能量收集热电装置利用废热发电。汽车发动机或排气系统附近的热电装置可以将废热转化为电能。热电装置还可用来冷却以使乘客舒适。

“另一个潜在应用是在偏远地区利用地面的温度梯度作为功率传感器。” Léonard说,“热电是这项应用的理想选择,因为你可以设置这样一个装置,然后让它长时间运行。”

今后的工作旨在提高效率(Future work seeks to improve efficiency)

目前,研究人员正在提高TCNQ@MOF的热电效率。一种途径是通过改变MOF薄膜,使其由最初研究的多晶结构转变到单晶结构。

“均匀结构的导电性本应该更好。”Sandia国家实验室化学家Vitalie Stavila(该项目中主要负责生长MOF薄膜)说,“然而,我们相信多晶晶粒之间的界面能够促成低导热系数,所以最好的能量转换效率将有可能通过平衡这两个参数来实现。”

研究人员同样正在把他们的热电测量技术转向其他MOFs和材料,如碳纳米管薄膜。

“研究MOFs是令人兴奋的。” Allendorf说,“基础科学才刚刚开始赶上这些迈着快速前进步伐的新应用,我们逐渐了解MOFs,这将有助于MOFs在许多令人兴奋但具有挑战性的新领域得到应用。”


来源:新材料在线
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