陜科大張荔/南昆士蘭大學陳志剛Materials Today：柔性熱電——從材料到器件

通訊作者：張荔，陳志剛

第一作者：張荔

第一單位：陜西科技大學材料學院，陜西省無機材料綠色制備與功能化重點實驗室

能量在使用過程中大多以廢熱形式排出浪費，熱電材料可將熱能直接轉換為電能從而提高能量利用率。如今隨著多功能、微型電子技術和產品的不斷發展，探索大功率的微瓦—毫瓦自充電技術顯得尤為重要。柔性熱電材料和器件可以利用較小的溫差進行發電，而且除了工業廢熱，自然界中的光熱和人體熱能等均可作為其可持續的綠色能量來源，因此在為可穿戴和可植入電子產品提供持續的電源動力方面展現出巨大的應用潛力。陜西科技大學張荔副教授與澳大利亞南昆士蘭大學陳志剛教授課題組總結了近年來柔性熱電材料的研究進展和器件的設計思路，以綜述形式發表于材料領域國際頂級期刊Materials Today (https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.02.016)。

該綜述全面總結了五大類柔性熱電材料的最新研究熱點，包括導電高分子熱電材料、有機/無機熱電材料、全無機熱電材料、纖維基熱電材料和綠色生物質基熱電材料。作者針對每一大類柔性熱電材料，介紹了其基本原理和提高熱電性能的策略，同時精心選取了近年來的典型示例并加以詳細說明。此外，該綜述還總結了目前柔性熱電器件的先進設計策略，包括采用涂覆/基底/支架材料、柔性連接線/電極材料和優化不同材料間的界面接觸。最后，該綜述對柔性熱電材料和器件的發展提出了目前存在的挑戰問題和對未來的前景展望。（全文26幅圖，以下精選12張）

圖1柔性熱電材料及其在不同領域的應用

圖2 p型和n型摻雜高分子的電荷轉移機理示意圖，F4TCNQ蒸汽摻雜P3HT薄膜及P3HT和F4TCNQ的化學結構，典型的酸堿摻雜劑和相應的酸堿反應，不同種類磺酸的濃度與其摻雜PEDOT:PSS薄膜的電導率關系圖，各種磺酸摻雜PEDOT:PSS薄膜在最佳摻雜濃度下的平均電導率值。

圖3 熱電水凝膠的結構和機理示意圖，原始和拉伸水凝膠的照片以及水凝膠的應力-應變曲線，水凝膠附著與手機電池的示意圖，三種使用的離子液體和PVDF-HFP的化學結構式，含80 wt% EMIM DCA的各種離子凝膠的賽貝克系數值，離子熱電電容器的工作機理示意圖，原始明膠與制備的明膠基離子熱電材料的賽貝克系數值比較，明膠-0.8 M KCl-0.42/0.25 M FeCN4-/3-對賽貝克系數的貢獻分數，原始明膠和明膠-0.8 M KCl-0.42/0.25 M FeCN4-/3-的拉伸試驗。

圖4 PEDOT/Bi₂Te₃有機無機復合膜的制備工藝示意圖及熱電性能，柔性復合熱電紡線的制造工藝及熱電性能，PEDOT:PSS/Cu-BST復核材料和器件及其不同Cu含量的賽貝克系數值變化。

圖5 PDDA/PEDOT:PSS-graphene/PDDA/PEDOT:PSS-DWNT的層層沉積過程示意圖，聚苯胺鏈與石墨烯之間的π-π共軛。

圖6 Ag₂Se, Ag₂Te和Ag₂S的柔性—ZT圖，不同形狀的Ag₂S_0.5Se_0.5和Ag₂S_0.8Te_0.2樣品及全無機柔性熱電器件，通過將不同比例的S 加入Ag₂Te實現非晶化以及相應柔性材料的微結構、熱電性能和機械性能。

圖7 濕紡法制備PEDOT:PSS纖維及其楊氏模量圖，連續濕紡法制備的PEDOT:PSS纖維中PEDOT分子鏈的堆積示意圖以及PEDOT:PSS纖維被縫入衣服中發電，經H₂SO₄處理前后的PEDOT:PSS水凝膠纖維及其作為器件的輸出性能。

圖8 棉花作為支撐基底的碳納米纖維生物復合熱電材料，Ag納米線/纖維素紙基柔性熱電材料及器件，經過不同后處理的Bi₂Te₃/纖維素納米纖維的機械性能和接觸角，木質素摻雜碳納米管紗線的載流子過濾機制和熱電性能。

圖9 兩種不同的柔性彎曲測試。

圖10 PDMS涂覆Bi₂Te₃?薄膜的柔性測試，PDMS涂覆前后的薄膜微結構變化以及各自相應的彎曲機制，MF、PCMF和PCMF/PDMS的拉伸應力與應變曲線，以及相應的彎曲測試，插入圖為單個PCMF/PDMS纖維拉伸力為20 g時的照片。

圖11 柔性銅線連接塊狀鉍碲基熱電腿組成的柔性熱電器件，FPCBs作為柔性覆蓋電極連接塊狀鉍碲基熱電腿組成的柔性熱電器件，利用雙正弦蛇形線連接熱電腿的柔性熱電器件原理圖。

圖12具有良好彎曲、扭轉和壓縮的p/n支腿垂直交替排列的織物示意圖，基于一側p型一側n型的碳納米管纖維的柔性熱電器件原理圖，丙烯酸塑料包覆摻雜碳納米管纖維的柔性熱電器件設計原理圖。

作者簡介

張荔，博士，副教授，碩士生導師，國家自然科學基金委評議專家，陜西省高層次人才計劃入選者。主要從事熱電能量轉換材料及其器件的研究，2016年國家公派博士畢業于澳大利亞新南威爾士大學（2021年QS世界大學排名44位）材料科學與工程學院。2017年引進陜西科技大學材料科學與工程學院工作，目前主持國家級和省部級項目共4項，包括國家自然科學青年基金，陜西省自然科學青年基金，陜西省高層次人才計劃項目等。近年來在Materials Today，Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials & Interfaces等國際學術期刊上發表論文。申請中國發明專利10項，已授權4項。

史曉磊研究員，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。

陳志剛，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。

本文由作者投稿。