南昆士蘭大學陳志剛教授課題組Energy?& Environmental Science：纖維基熱電材料與器件研究進展

通訊作者：陳志剛

第一作者：史曉磊，陳文祎

第一單位：澳大利亞南昆士蘭大學未來材料中心

核心內容

1. 綜述從纖維基熱電材料與器件的基本原理出發，總結了近年來纖維基熱電材料與器件的最新研究進展以及未來的應用前景及探索，包括一維微納米纖維基熱電材料的先進合成工藝、常用表征手段、熱電性能的改進，以及多維纖維基熱電器件的先進設計理念、制造工藝、性能改進的諸多途徑。

2. 綜述總結了纖維基熱電研究領域里的最新研究熱點，包括碳基熱電纖維，無機復合熱電纖維，半導體熱電纖維，核殼結構熱電纖維，氧化物熱電纖維，包覆層與鍍層熱電纖維，含纖維熱電塊體材料與性能強化機制，纖維基熱電水泥混凝土，有機熱電纖維及基于有機熱電纖維的二維柔性薄膜，多維度有機/無機復合熱電纖維材料，以及商用和生物纖維材料的熱電化設計等。

研究背景

熱電材料及器件能夠實現熱能和電能之間的直接轉換，因此在回收廢熱節約能源以及中小規模制冷方面具有無可比擬的優越性。柔性熱電材料與器件設計是熱電研究領域的重要課題，其在可穿戴電子設備供電以及個人熱管理等方面具有獨特的優勢。其中，纖維基熱電材料與器件由于具有較高的柔性和穩定性，富含潛力的熱電性能，以及高性價比和多種用途等特點，近年來逐漸獲得關注。

綜述簡介

南昆士蘭大學陳志剛教授課題組總結了近年來先進纖維基熱電材料與器件的最新研究進展，相關成果發表于頂級能源環境期刊Energy & Environmental Science (DOI: 10.1039/D0EE03520C)。這篇綜述旨在全面總結近年來纖維基熱電材料和器件的設計思路，合成工藝，表征手段，以及性能評價。針對每一種纖維基熱電材料，綜述都從其基本原理的簡要介紹開始闡述，并配以精心挑選的示例加以說明。最后，該綜述提出了目前針對于纖維基熱電材料與器件設計所存在的爭議，挑戰和前景。

要點1：纖維基熱電材料的分類

目前較為熱門的纖維基熱電材料可以按材料種類分為碳基熱電纖維，無機復合熱電纖維，半導體熱電纖維，核殼結構熱電纖維，氧化物熱電纖維，包覆層與鍍層熱電纖維，含纖維熱電塊體材料與性能強化機制，纖維基熱電水泥混凝土，有機熱電纖維及基于有機熱電纖維的二維柔性薄膜，多維度有機/無機復合熱電纖維材料，以及商用和生物纖維材料。

圖1?幾種典型的纖維基熱電材料。

要點2：纖維基熱電材料的性能

我們總結了不同纖維基熱電材料在最近10年來所報道的性能，包括功率因子和熱電優值。

圖2?不同纖維基熱電材料在最近10年來所報道的性能。

要點3：無機熱電纖維的熱電傳輸機制

這里總結了隨著材料維度的降低（從三維塊體材料到一維纖維材料），無機材料熱電傳輸機制的變化。無機纖維基熱電材料的尺寸越小，尤其是越接近于量子級尺寸，其量子限域效應越明顯，對無機纖維基熱電材料的帶隙和熱電性能影響越大。同時，由于無機纖維基熱電材料的單位表面與界面密度大，聲子傳輸明顯受限，因此往往具有較低的熱導率。

圖3?無機熱電纖維的熱電傳輸機制。

要點4：碳基熱電纖維

這里總結了無機碳基熱電纖維的熱電基本原理，常見合成工藝，表征手段，以及熱電性能，包括普通碳纖維，單/多壁碳納米管，石墨烯纖維，以及氧化石墨烯纖維。同時，本節總結了典型的碳基熱電纖維柔性器件設計和性能。

圖4?碳納米管的定義，碳納米管的電子結構與晶體結構，碳納米管的熱電性能總結，碳納米管熱電材料的制備，表征，以及器件設計。

要點5：半導體及陶瓷熱電纖維

除了無機碳基熱電纖維，本節總結了半導體及陶瓷無機熱電纖維的熱電機制，合成工藝，表征手段，以及熱電性能，包括無機納米線（含自然生長及后天修飾），無機納米管，無機納米棒，包覆層及鍍層無機熱電玻璃/石英纖維，具有核殼結構的半導體熱電纖維，以及氧化物陶瓷熱電纖維。同時，本節總結了典型的半導體熱電纖維的器件設計和性能。

圖5?FIB修飾制備Bi_2-xSb_xTe_3-y熱電納米線，硅基熱電納米管，PbTe納米晶鍍層熱電玻璃纖維，核殼結構的單晶SnSe熱電半導體纖維，以及核殼結構熱電半導體纖維在熱電發電和制冷方面的應用。

要點6：含纖維熱電塊體材料，性能強化機制，以及纖維基熱電水泥混凝土

本節介紹了含纖維熱電塊體材料中纖維作為第二相對塊體材料的熱電性能和機械性能的強化機制，以及纖維基熱電水泥混凝土中的熱電機制和發展前景。

圖6?含多壁碳納米管第二相的Cu₂Se多晶塊體材料的合成制備，微觀結構表征，性能提升機制，熱電性能，以及纖維基熱電水泥混凝土的合成，表征和熱電發電功率。

要點7：一維有機熱電纖維

這里總結了一維有機熱電纖維的熱電基本原理，常見合成工藝，表征手段，以及熱電性能。同時，本節總結了典型的一維有機熱電纖維柔性器件設計和性能。

圖7?不同形態的一維有機熱電材料內部的熱電傳輸機制，有機PEDOT:PSS熱電纖維的合成制備，表征，器件設計及應用。

要點8：基于有機纖維的柔性熱電薄膜

本節介紹了基于有機纖維的柔性熱電薄膜的設計思路，合成工藝，表征手段，以及熱電性能。同時，本節總結了典型的基于有機纖維的柔性熱電薄膜器件設計和性能。

圖8?基于有機纖維的柔性熱電薄膜的合成設計，取向化的多種思路，后處理的常見方法，熱電傳輸機制及改進，以及基于有機纖維的柔性熱電薄膜的器件設計和輸出性能。

要點9：一維有機/無機復合熱電纖維

這里總結了一維有機/無機復合熱電纖維的熱電基本原理，常見合成工藝，表征手段，以及熱電性能。同時，本節總結了典型的一維有機/無機復合熱電纖維柔性器件設計和性能。

圖9?無機碳納米管纖維/有機溶液復合熱電纖維材料與器件的設計及輸出性能，電紡法制備無機半導體/有機PAN復合粗纖維的制備與編織型器件設計，以及濕紡法制備無機Te納米線/有機PEDOT:PSS復合熱電纖維材料與可穿戴器件的設計及輸出性能。

要點10：基于有機/無機復合纖維的柔性熱電薄膜

本節介紹了基于有機/無機復合纖維的柔性熱電薄膜的設計思路，合成工藝，表征手段，以及熱電性能。同時，本節總結了典型的基于有機/無機復合纖維的柔性熱電薄膜器件設計和性能。

圖10?直紡法制備Au摻雜碳納米管/有機PANI復合網狀柔性熱電薄膜，基于Te納米線/?PEDOT:PSS的氣凝膠復合膜的合成制備與熱電傳輸機制，包括真空冷凍干燥與DMSO蒸氣退火處理和真空抽濾工藝。

要點11：商用和生物纖維材料的熱電化改造

商用和生物纖維材料的熱電化改造具有成本更低，更貼近于人體可穿戴性等特點。本節介紹了基于商用和生物纖維材料的熱電化改造的柔性熱電材料的設計思路，合成工藝，表征手段，以及熱電性能。同時，本節總結了典型的基于商用和生物纖維材料的熱電化改造的柔性熱電器件設計和性能。

圖11?使用柔性無機纖維布作為基體噴涂熱電材料來進行柔性器件設計，通過浸潤法對人造滌綸布結合有機PEDOT:PSS進行柔性器件設計，無機Bi₂Te₃與纖維素復合制備多功能熱電器件，丙烯酸塑料包覆摻雜碳納米管纖維材料與可穿戴柔性器件設計。

小結與展望

時至今日，纖維基熱電材料與器件的研究取得了令人矚目的進展，然而目前其存在的挑戰也比較嚴峻。其未來展望包括以下幾個方面：

1. ?纖維基熱電材料與器件的熱電性能的進一步提高；

2. 可穿戴纖維基熱電器件的個人熱管理；

3. 生物纖維基熱電材料與器件的進一步研究；

4. 纖維基熱電材料與器件的標準化設計及大規模合成工藝的探究；

5. 纖維基熱電器件的實際應用拓展。

此外，該綜述還以表格的方式總結了近年來不同纖維基熱電材料與器件的熱電性能（表1）。表格的詳細信息請參見原文https://doi.org/10.1039/D0EE03520C。

作者簡介

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陳志剛教授（通訊作者）是澳大利亞南昆士蘭大學能源學科講席教授（Professor of Energy Materials），澳大利亞南昆士蘭大學功能材料學科帶頭人。長期從事功能材料在能量轉化的基礎和應用研究。2008年博士畢業后即成功申請到“澳大利亞研究理事會博士后研究員”職位，前往澳大利亞昆士蘭大學機械與礦業學院工作，先后擔任研究員，高級研究員，榮譽副教授，后轉入澳大利亞南昆士蘭大學擔任功能材料學科帶頭人，先后主持共計七百萬澳元的科研項目，其中包括6項澳大利亞研究委員會、1項澳大利亞研究委員會工業轉化研究中心，1項澳大利亞科學院、2項州政府、10項工業項目和10項校級的科研項目。在南昆士蘭大學和昆士蘭大學工作期間，共指導17名博士生和3名碩士研究生，其中已畢業博士生5名和碩士生2名。在Nat. Energy, Nat. Nanotech.、 Nat. Commun.、 Chem. Rev.，Prog. Mater. Sci.、 Energy Environ. Sci., Adv. Mater.、 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Edit., Nano Lett.、等國際學術期刊上發表280余篇學術論文。這些論文共被Scopus引用15400余次，H-index達到62。

史曉磊研究員（第一作者）就職于澳大利亞南昆士蘭大學未來材料中心，開放學術期刊Micromachines特刊編輯（IF=2.523）。于2008及2011年在北京科技大學分別取得材料學學士及碩士學位，畢業后就職于清華大學摩擦學國家重點實驗室深圳微納研究室進行科研工作。2015年獲得澳大利亞國際留學生全額獎學金（RTP）開始在澳大利亞昆士蘭大學攻讀博士，2018年度國家優秀自費留學生獎學金獲得者，并于2019年獲得博士學位。其研究方向集中于熱電材料，材料表面與界面，化學以及納米科學領域。共在Chem. Rev. (1篇)，Prog. Mater. Sci. (1篇)，Energy Environ. Sci.?(2篇)，Adv. Mater.?(1篇)，Adv. Energy Mater.?(2篇)，ACS Nano (1篇)，Energy Storage Mater.?(1篇)，Adv. Sci.?(1篇)，Nano Energy (7篇)，ACS Energy Lett.?(1篇)，J. Mater. Chem. A (1篇)，Chem. Mater.?(2篇)等國際學術期刊上發表論文80余篇，中國發明專利4項，其中以第一及通訊作者身份發表論文近?30篇。這些論文被SCI引用1700余次，H-index達到25。

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