Preparation of hybrid thermoelectric materials composed of poly(3,4-Ethylene dioxy Thiophene)-Inorganic nanoparticles

Abstract

Thermoelectric (TE) materials can generate electricity if there is a temperature difference between their two sides. The state-of-the-art, TE materials are toxic, non-flexible, and extremely expensive inorganic semi-conductive metal alloys. In recent years, polymer TE composites have been subjected to intense research. The poly (3,4-ethylene dioxythiophene) (PEDOT) is the most studied polymer among the conductive polymers related to thermoelectricity because of its high conductivity, stability, and flexibility. It would appear that one of the most preferable ways to improve the TE properties of PEDOT is to prepare its inorganic hybrid nanocomposites. In this study, it was aimed to prepare organic-inorganic hybrid nanocomposites which have high TE properties. The research can be summarized in three main pivots. The first axis focused on preparing the PEDOT in poly (styrene sulfonic acid) (PEDOT:PSSA) in different concentrations to obtain a conducting polymer that has large Seebeck coefficient because it is necessary to obtain high TE properties. In this context, twelve different PEDOT:PSSA have been synthesized. Those of the PEDOT:PSSA samples that have the relatively high conductivity and large Seebeck coefficient were used to prepare the hybrid composites. As for the second axis, it was focused on preparing inorganic nanoparticles. Within this scope, zinc sulfide was prepared in several ways by using several auxiliary agents, the best of which was the preparation of zinc sulfide using the solvent ethylene glycol. Copper sulfide was prepared also in several ways and among the methods, the best one was in which the ethylene glycol was used as a solvent. It was also used the sonicated titanium sulfide of purchased from the market. On the other hand, cesium carbonate was added to the titanium sulfide and this step was done using the ultrasonic device. The third axis is preparing organic-inorganic hybrid nanocomposites such as PEDOT:PSSA/ZnS-PVOH, PEDOT:PSSA/Cu1.8S, PEDOT:PSSA/TiS2, PEDOT:PSSA/TiS2-Cs2CO3, by compounding the components. PEDOT: PSSA / Cu1.8S and PEDOT:PSSA/TiS2 can be used as p-type and n-type TE materials, respectively, due to the high power factors found by measuring their electrical conductivity and Seebeck coefficients. The composites were characterized by FTIR, UV-vis., XRD, XPS and SEM-EDAX techniques.

İki tarafı arasında sıcaklık farkı varsa, termoelektrik (TE) malzemeler elektrik üretebilir. En son teknolojiye sahip TE malzemeleri toksik, esnek olmayan ve aşırı pahalı inorganik yarı iletken metal alaşımlarıdır. Son yıllarda, polimer TE kompozitler yoğun bir araştırmaya tabi tutulmuştur. Poli (3,4-etilen dioksitiofen) (PEDOT), yüksek iletkenliği, stabilitesi ve esnekliği nedeniyle termoelektriklik açısından, iletken polimerler arasında en çok çalışılan polimerdir. PEDOT' un TE özelliklerini geliştirmenin en tercih edilen yollarından birinin, inorganik hibrit nanokompozitlerini hazırlamak olduğu görülmektedir. Bu çalışmada, yüksek TE özelliklere sahip organik-inorganik hibrid nanokompozitlerin hazırlanması amaçlanmıştır. Araştırma üç ana pivotta özetlenebilir. Birinci eksen, yüksek TE özellikler elde etmek gerektiğinden büyük Seebeck katsayısına sahip bir iletken polimer elde etmek için farklı konsantrasyonlarda poli (stiren sülfonik asit) içinde PEDOT (PEDOT:PSSA) hazırlanmasına odaklanılmıştır. Bu bağlamda, on iki farklı PEDOT:PSSA sentezlenmiştir. Nispeten yüksek iletkenliğe ve büyük Seebeck katsayısına sahip olan PEDOT:PSSA numuneleri hibrid kompozitleri hazırlamak için kullanıldı. İkinci eksene gelince, inorganik nanopartiküllerin hazırlanmasına odaklanıldı. Bu kapsamda çinko sülfür, çeşitli yardımcı maddeler kullanılarak çeşitli şekillerde hazırlandı; bunların en iyisi, çözücü etilen glikol kullanılarak çinko sülfürün hazırlanması idi. Bakır sülfür de çeşitli yollarla hazırlandı ve yöntemler arasında en iyisi, etilen glikolün bir çözücü olarak kullanıldığı idi. Ayrıca piyasadan satın alınan titanyum sülfür sonike edilerek kullanıldı. Öte yandan titanyum sülfüre sezyum karbonat ilave edildi ve bu aşama ultrasonik cihaz kullanılarak yapıldı. Üçüncü eksen, bileşenleri bir araya getirerek PEDOT: PSSA / ZnS-PVOH, PEDOT:PSSA/Cu1.8S, PEDOT:PSSA/TiS2, PEDOT:PSSA/TiS2Cs2CO3 gibi organik-inorganik hibrid nanokompozitlerin hazırlanmasıdır. Elektriksel iletkenliklerini ve Seebeck katsayılarını ölçerek bulunan güç faktörlerinin yüksek olması nedeniyle, PEDOT:PSSA/Cu1.8S ve PEDOT:PSSA/TiS2'nin, sırasıyla p-tipi ve n-tipi TE malzeme olarak kullanılabileceği bulundu. Kompozitler FTIR, UV-vis., XRD, XPS ve SEM-EDAX teknikleri ile karakterize edildi.

İki tarafı arasında sıcaklık farkı varsa, termoelektrik (TE) malzemeler elektrik üretebilir. En son teknolojiye sahip TE malzemeleri toksik, esnek olmayan ve aşırı pahalı inorganik yarı iletken metal alaşımlarıdır. Son yıllarda, polimer TE kompozitler yoğun bir araştırmaya tabi tutulmuştur. Poli (3,4-etilen dioksitiofen) (PEDOT), yüksek iletkenliği, stabilitesi ve esnekliği nedeniyle termoelektriklik açısından, iletken polimerler arasında en çok çalışılan polimerdir. PEDOT' un TE özelliklerini geliştirmenin en tercih edilen yollarından birinin, inorganik hibrit nanokompozitlerini hazırlamak olduğu görülmektedir. Bu çalışmada, yüksek TE özelliklere sahip organik-inorganik hibrid nanokompozitlerin hazırlanması amaçlanmıştır. Araştırma üç ana pivotta özetlenebilir. Birinci eksen, yüksek TE özellikler elde etmek gerektiğinden büyük Seebeck katsayısına sahip bir iletken polimer elde etmek için farklı konsantrasyonlarda poli (stiren sülfonik asit) içinde PEDOT (PEDOT:PSSA) hazırlanmasına odaklanılmıştır. Bu bağlamda, on iki farklı PEDOT:PSSA sentezlenmiştir. Nispeten yüksek iletkenliğe ve büyük Seebeck katsayısına sahip olan PEDOT:PSSA numuneleri hibrid kompozitleri hazırlamak için kullanıldı. İkinci eksene gelince, inorganik nanopartiküllerin hazırlanmasına odaklanıldı. Bu kapsamda çinko sülfür, çeşitli yardımcı maddeler kullanılarak çeşitli şekillerde hazırlandı; bunların en iyisi, çözücü etilen glikol kullanılarak çinko sülfürün hazırlanması idi. Bakır sülfür de çeşitli yollarla hazırlandı ve yöntemler arasında en iyisi, etilen glikolün bir çözücü olarak kullanıldığı idi. Ayrıca piyasadan satın alınan titanyum sülfür sonike edilerek kullanıldı. Öte yandan titanyum sülfüre sezyum karbonat ilave edildi ve bu aşama ultrasonik cihaz kullanılarak yapıldı. Üçüncü eksen, bileşenleri bir araya getirerek PEDOT: PSSA / ZnS-PVOH, PEDOT:PSSA/Cu1.8S, PEDOT:PSSA/TiS2, PEDOT:PSSA/TiS2Cs2CO3 gibi organik-inorganik hibrid nanokompozitlerin hazırlanmasıdır. Elektriksel iletkenliklerini ve Seebeck katsayılarını ölçerek bulunan güç faktörlerinin yüksek olması nedeniyle, PEDOT:PSSA/Cu1.8S ve PEDOT:PSSA/TiS2'nin, sırasıyla p-tipi ve n-tipi TE malzeme olarak kullanılabileceği bulundu. Kompozitler FTIR, UV-vis., XRD, XPS ve SEM-EDAX teknikleri ile karakterize edildi.