Microstructure and Thermoelectric Property of Hybrid Carbon Nanofibers Functionalized with Organic Molecular Dopants and Inorganic Metal Oxides :유기 분자 도펀트 및 무기 금속 산화물로 기능화 된 하이브 리드 탄소 나노 섬유의 미세 구조 및 열전 특성분석

류경문

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자료유형: 학위논문

저자정보: 류경문 (충남대학교, 忠南大學校大學院)

지도교수: 정영규

발행연도: 2020

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2020

Microstructure and Thermoelectric Property of Hybrid Carbon Nanofibers Functionalized with Organic Molecular Dopants and Inorganic Metal Oxides

류경문 2020.01 학위논문

2019

Fabrication and Thermoelectric Characterization of PAN/Lignin-based Carbon Nanofibers Treated with Molecular Dopants

류경문 , 정영규 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 2019.10 학술대회자료

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열전기술은 전기에너지와 열에너지의 상관현상을 다루는 기술로 열전성능은 소재의 성능에 크게 의존된다. 대표적으로 무기재료와 유기재료를 사용하며, 최근에는 유무기를 혼합한 하이브리드 소재도 개발되고 있다. 본 연구에서는 유기 분자 도펀트 및 무기 금속 산화물과 폴리아크릴로니르릴계 (PAN) 고분자를 사용하여 하이브리드 유무기 복합 나노 섬유를 제조하였다.

INTRODUCTION

1.1. Carbon nanofibers functionalized with NaCo2O4
Thermoelectric devices have a lot of potential because they have the advantage of using environmentally friendly methods to generate electrical energy using the waste heat from the industry and the heat in nature [1]. The thermoelectric device is based on the thermoelectric effect, and the thermoelectric effect is the conversion effect between electrical energy and thermal energy, followed by a Seebeck effect. The performance of the thermoelectric material can be evaluated as a thermoelectric figure of merit, ZT = S2T/S is the Seebeck coefficient, is the electrical conductivity, is the thermal conductivity, and T is the absolute temperature [2-5]. Therefore, high electrical conductivity, large Seebeck coefficient and low thermal conductivity are required for high performance thermoelectric devices. Thermoelectric materials are divided into organic materials and inorganic materials. In organic materials many researchers have study on conducting polymers including polypyrrole, polyaniline, and poly (3,4-ethylenedioxythiophene) : poly (styrenesulfonate) as a thermoelectric material [6-9]. The conducting polymers exhibited cost effectiveness, high flexibility, low intrinsic thermal conductivity and outstanding potential for use on the human body and bent part. However, organic-based generators are difficult to use as thermoelectric generators because of their low power factor, high contact resistance with metal electrodes, and very low thickness [10-12]. In order to achieve high output power density, the use of inorganic thermoelectric materials is inevitable, but inorganic materials are typically expensive and characterized by brittleness, which renders their application in large areas difficult. In this study, we used p-type NaCo2O4 thermoelectric material and carbon nanofiber based on poly acrylonitrile (PAN). NaCo2O4, a metal transition oxide inorganic thermoelectric materials, has chemical stability, non-toxicity and has the potential to generate high power at high temperatures. In addition NaCo2O4 has a large Seebeck coefficient( ~100V/K) and the ZT of NaCo2O4 single crystal could achieve 1.2 at 800K [13-17]. this high ZT value could represent that NaCo2O4 is a promising p-type of thermoelectric material for high temperature application.

CHAPTER 1 1
INTRODUCTION 1
1.1. Carbon nanofibers functionalized with NaCo2O4 _____________________ 1
1.2. Carbon nanofibers functionalized with molecular dopant _______________ 2
1.3. Objectives of the research _______________________________________ 3
CHAPTER 2 4
EXPERIMENTAL 4
2.1. Materials of CNFs treated with NaCo2O4 ________________________________________ 4
2.2. Fabrication of CNFs treated with NaCo2O4 by dual electrospinning_______ 4
2.3. Fabrication of CNFs treated with NaCo2O4 by dip-coating______________ 7
2.4. Characterization of CNFs treated with NaCo2O4 _______________________________ 10
2.5. Characterization of thermoelectric properties ___________________________________ 10
2.6. Materials of CNFs treated with molecular dopant ____________________ 11
2.7. Fabrication of CNFs treated with molecular dopant __________________ 11
2.8. Characterization of CNFs treated with molecular dopant ______________ 13
CHAPTER 3 15
RESULTS AND DISCCUSION 15
3.1. CNFs treated with NaCo2O4 by dual electrospinning _________________ 15
3.1.1. Thermal analysis of constituent materials of NaCo2O4/CNF nanofiber 15
3.1.2. Morphology and composition analysis of NaCo2O4/CNF nanofiber 17
3.1.3. Crystallinity of NaCo2O4/CNF nanofiber _____________________ 21
3.1.4. Carbonization of PAN based CNF nanofibers__________________ 23
3.1.5. Thermoelectric properties of NaCo2O4/CNF nanofibers__________ 25
3.2. CNFs treated with NaCo2O4 by dip-coating ________________________ 27
3.2.1. Morphology and composition analysis of NaCo2O4/CNF nanofiber 27
3.2.2. Crystallinity of NaCo2O4/CNF nanofiber _____________________ 28
3.2.3. Carbonization of PAN based CNF nanofibers__________________ 30
3.2.4. Thermoelectric properties of NaCo2O4/CNF nanofibers__________ 32
3.3. CNFs functionalized with molecular dopant _______________________ 34
3.3.1. Morphology analysis of carbon nanofibers____________________ 34
3.3.2. n-doping of CNFs _______________________________________ 35
3.3.3. Raman of n-doping nanofibers _____________________________ 37
3.3.4. Thermoelectric properties of n-doping carbon nanofibers ________ 38
3.3.5. Raman of p-doping nanofibers _____________________________ 40
3.3.6. Thermoelectric properties of p-doping carbon nanofibers ________ 41
CHAPTER 4
CONCLUSIONS 42
REFERENCE 43

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