Development of pedot: PSS based thermoelectric textiles

Abstract

Sürdürülebilir enerji çözümlerine yönelik artan talep, özellikle insan vücut ısısından yararlanabilen giyilebilir termoelektrik tekstillerin araştırılmasını hızlandırmıştır. Bu tezde, sürekli enerji üretimi için hafif, esnek ve çevre dostu platformlar oluşturmak amacıyla poli(3,4-etilendioksitiyofen):poli(stiren sülfonat) (PEDOT:PSS) bazlı iletken polimer sistemlerinin tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu üzerine odaklanılmıştır. Çalışma, PEDOT:PSS içerisinde bulunan fazla yalıtkan PSS içeriği ve düşük Seebeck katsayısı gibi saf PEDOT:PSS'in temel sınırlılıklarını aşmak için ikincil katkılama, son işlem ve katkı mühendisliğini bir arada kullanmıştır. Bu hedeflere ulaşmak için öncelikle PEDOT:PSS filmleri hazırlanmış ve çözücü katkılama, son işlem ve katkı malzemesi ilavesi yoluyla termoelektrik performanslarının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Film düzeyinde elde edilen bilgiler daha sonra optimize edilmiş mürekkeplerin pamuk interlok kumaşlara emdirilmesiyle tekstil bazlı termoelektrik işlevsellik kazandırmak için uygulanmıştır. Film düzeyinde, dimetil sülfoksit (DMSO) ve etilen glikol (EG) gibi polar çözücülerle yapılan ikincil katkılama, PEDOT ile PSS arasındaki Kulombik etkileşimleri azaltmış, benzoid-kinoid konformasyon dönüşümünü teşvik etmiş ve elektriksel iletkenliği artırmıştır. Polar çözücülerle yapılan son işlemler, fazla PSS'in uzaklaştırılması ve polimer zincirlerinin yeniden düzenlenmesi sayesinde daha iyi bağlanmış PEDOT açısından zengin alanlar oluşturmuştur. XPS, UV-Vis, EPR, SEM ve zeta potansiyel ölçümleri bu yapısal ve elektronik değişimleri doğrulamıştır. Karbon nanotüpler (CNT), gümüş nanoparçacıklar (Ag NP) ve Ti3C2 MXene gibi katkılar ise ek iyileştirmeler sağlamıştır: Literatürde belirtildiği üzere CNT'ler ek iletken yollar sağlayarak, Ag NP'ler ara yüzey direncini azaltarak ve MXene enerji filtreleme etkileri ile mekanik dayanıklılığa katkıda bulunarak performansı artırmaktadır. PP-DMSO-CNT-Ag kompoziti 1001 S/cm ile en yüksek iletkenliği ve 101 nW/(cm·K²) güç faktörünü elde etmiştir. Malzeme seviyesindeki bu optimizasyonlar, pamuk interlok kumaşların PEDOT:PSS bazlı mürekkeplerle emdirilmesi yoluyla tekstil entegrasyonuna başarıyla aktarılmıştır. Elde edilen tekstiller, 50 K sıcaklık farkı altında 6.3 mV açık devre voltajı ve 99.2 nW maksimum güç üretimi sağlayarak kavramsal düzeyde uygulanabilirliği kanıtlamıştır. Yıkama sonrasında kumaşın iletkenliği yaklaşık on kat azalmış olsa da Seebeck katsayısının sabit kalması, iletken ağın lif yüzeyinde güçlü bir şekilde tutunmadığını göstermiş ve tekstil tabanlı cihazlar için dayanıklılığın kritik bir zorluk olduğunu ortaya koymuştur. Genel olarak, bu çalışma polimer mühendisliği ile tekstil mühendisliği uygulamalarını birleştirerek PEDOT:PSS tabanlı sistemlerin bilimine ve giyilebilir termoelektriklerin gelişimine katkı sağlamaktadır. PEDOT:PSS bazlı filmlerde iletkenlik artırma, katkı malzemeleri içeren PEDOT:PSS mürekkeplerin pamuk kumaşlara uygulanması, dayanıklılığın kritik bir gereksinim olduğunu ortaya koyan bulguları vurgulayan bu tez, kendi kendine enerji üreten yeni nesil sürdürülebilir tekstillerin geliştirilmesi için kapsamlı bir çerçeve sunmaktadır.The urgent demand for sustainable energy solutions has accelerated research into wearable thermoelectric textiles capable of harvesting naturally existing temperature gradients, particularly from human body heat. This thesis focuses on the design, fabrication, and characterization of poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS)-based conducting polymer systems, aiming to establish lightweight, flexible, and environmentally friendly platforms for continuous energy harvesting. The study addresses the intrinsic limitations of pristine PEDOT:PSS, including excess insulating PSS and low Seebeck coefficients, by employing a multi-faceted approach that combines secondary doping, post-treatment, and additive engineering. To achieve these objectives, PEDOT:PSS films were first prepared and optimized through secondary-doping, post-treatment, and additive incorporation to enhance their thermoelectric performance. The knowledge gained at the film level was then applied to cotton interlock fabrics by impregnating them with the optimized inks, enabling textile-based thermoelectric functionality. At the film level, secondary doping with polar solvents such as dimethyl sulfoxide (DMSO) and ethylene glycol (EG) induced benzoid-to-quinoid conformational transitions, reduced Coulombic interactions between PEDOT and PSS, and enhanced electrical conductivity. Post-treatment with polar solvents further removed excess PSS and reorganized polymer chains, resulting in interconnected PEDOT-rich domains. Complementary spectroscopic and microscopic analyses (XPS, UV-Vis, EPR, SEM, zeta potential) confirmed these structural and electronic modifications. Incorporation of nanomaterials, including carbon nanotubes (CNTs), silver nanoparticles (Ag NPs), and Ti3C2 MXene, provided additional improvements: Incorporation of CNTs, Ag NPs, and Ti3C2 MXene further enhanced performance, as reported in literature, through additional conductive pathways, reduced interfacial resistance, and possible energy-filtering effects. The PP-DMSO-CNT-Ag composite achieved the highest conductivity of 1001 S/cm with a power factor of 101 nW/(cm·K2). These material-level optimizations were successfully translated into textile-integrated devices by impregnating cotton interlock knitted fabrics with optimized PEDOT:PSS-based inks. The fabricated textiles exhibited measurable thermoelectric outputs, including an open-circuit voltage of 6.3 mV and a maximum power of 99.2 nW under a temperature gradient of 50 K, demonstrating proof-of-concept feasibility. Although the fabric conductivity decreased nearly tenfold after washing, the unchanged Seebeck coefficient indicated that the conductive network was not strongly retained on the fiber surface, underlining durability as a key challenge for textile-based devices. Overall, this work bridges fundamental polymer engineering with textile integration, contributing both to the scientific understanding of PEDOT:PSS-based systems and to the advancement of wearable thermoelectrics. By highlighting strategies for conductivity enhancement in PEDOT:PSS films, impregnation of cotton fabrics by additive incorporated PEDOT:PSS inks, and demonstrating durability as a critical challenge, the thesis provides a comprehensive framework for developing next-generation self-powered textiles for sustainable, green energy applications.