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Mixed Ionic–Electronic Conducting Hydrogels with Carboxylated Carbon Nanotubes for High Performance Wearable Thermoelectric Harvesters

材料科学 塞贝克系数 离子键合 碳纳米管 离子电导率 热电效应 化学工程 X射线光电子能谱 自愈水凝胶 导电聚合物 纳米技术 聚合物 电极 高分子化学 复合材料 离子 电解质 有机化学 物理化学 化学 工程类 物理 热力学 热导率
作者
Chia-Yu Lee,Yen‐Ting Lin,Shao‐Huan Hong,Chia‐Hsin Wang,U‐Ser Jeng,Shih‐Huang Tung,Cheng‐Liang Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (48): 56072-56083 被引量:35
标识
DOI:10.1021/acsami.3c09934
摘要

Mixed ionic–electronic conducting (MIEC) thermoelectric (TE) materials offer higher ionic conductivity and ionic Seebeck coefficient compared to those of purely ionic-conducting TE materials. These characteristics make them suitable for direct use in thermoelectric generators (TEGs) as the charge carriers can be effectively transported from one electrode to the other via the external circuit. In the present study, MIEC hydrogels are fabricated via the chemical cross-linking of polyacrylamide (PAAM) and polydopamine (PDA) to form a double network. In addition, electrically conducting carboxylated carbon nanotubes (CNT-COOH) are dispersed evenly within the hydrogel via sonication and interaction with the PDA. Moreover, the electrical properties of the hydrogel are further improved via the in situ polymerization of polyaniline (PANI). The presence of CNT-COOH facilitates the ionic conductivity and enhances the ionic Seebeck coefficient via ionic–electronic interactions between sodium ions and carboxyl groups on CNT-COOH, which can be observed in X-ray photoelectron spectroscopy results, thereby promoting the charge transport properties. As a result, the optimum device exhibits a remarkable ionic conductivity of 175.3 mS cm–1 and a high ionic Seebeck coefficient of 18.6 mV K–1, giving an ionic power factor (PFi) of 6.06 mW m–1 K–2 with a correspondingly impressive ionic figure of merit (ZTi) of 2.65. These values represent significant achievements within the field of gel-state organic TE materials. Finally, a wearable module is fabricated by embedding the PAAM/PDA/CNT-COOH/PANI hydrogel into a poly(dimethylsiloxane) mold. This configuration yields a high power density of 171.4 mW m–2, thus highlighting the considerable potential for manufacturing TEGs for wearable devices capable of harnessing waste heat.
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