【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】柔性熱電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)可將環(huán)境或人體溫差轉(zhuǎn)化成電能實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的自供電，在可穿戴等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)無(wú)機(jī)熱電材料具有優(yōu)異的熱電性能，但不具備柔性功能；而有機(jī)熱電材料雖具有良好的柔性和彎曲性能，但熱電性能極低。有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合熱電材料可綜合無(wú)機(jī)材料的熱電高性能和有機(jī)材料的良好彎曲性能，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。具有一維結(jié)構(gòu)的碳納米管或金屬納米線可以與有機(jī)材料的一維分子鏈形成緊密連接的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并沿鏈網(wǎng)絡(luò)提供高導(dǎo)電通道，因此常被用于有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合熱電材料的研究。但碳納米管或金屬納米線極低的澤貝克系數(shù)導(dǎo)致復(fù)合材料的澤貝克系數(shù)難以提高。而無(wú)機(jī)熱電材料雖然具有高澤貝克系數(shù)，但是其形狀通常為片狀或顆粒狀，導(dǎo)致復(fù)合材料低的電輸運(yùn)性能。因此，如何選擇匹配的有機(jī)/無(wú)機(jī)材料從而獲得良好的電輸運(yùn)成為有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合熱電材料研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
近，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員史迅、陳立東、副研究員仇鵬飛、瞿三寅等與美國(guó)克萊姆森大學(xué)教授賀健合作，提出了一種維度匹配的熱電復(fù)合材料設(shè)計(jì)新策略，即使用同樣具有一維結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料制備高性能PVDF/Ta4SiTe4有機(jī)/無(wú)機(jī)柔性熱電復(fù)合薄膜，其原型器件在35.5K溫差下歸一化大功率密度為目前已報(bào)道的柔性熱電器件中的高值。相關(guān)研究成果以Conformal organic–inorganic semiconductor composites for flexible thermoelectrics 為題 ，發(fā)表于Energy & Environmental Science上。
有機(jī)材料聚偏氟乙烯(PVDF)具有一維鏈狀結(jié)構(gòu)，是一種具有優(yōu)良柔性的絕緣體。基于維度匹配的設(shè)計(jì)思路，該團(tuán)隊(duì)選擇了同樣具有一維結(jié)構(gòu)的Ta4SiTe4無(wú)機(jī)材料與PVDF進(jìn)行復(fù)合制備有機(jī)/無(wú)機(jī)柔性復(fù)合薄膜。通過(guò)化學(xué)氣相輸運(yùn)反應(yīng)，得到Ta位摻雜0.5% Mo的Ta4SiTe4一維晶須。然后以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作為分散劑，通過(guò)滴涂的方法得到PVDF/Ta4SiTe4復(fù)合薄膜。掃描電鏡發(fā)現(xiàn)Ta4SiTe4晶須均勻分散于PVDF基體之中構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。透射電鏡表明Ta4SiTe4晶須與PVDF形成緊密結(jié)合的兩相界面。熱電性能表征發(fā)現(xiàn)PVDF/50 wt% Ta4SiTe4具有優(yōu)良電輸運(yùn)性能，在220 K功率因子高達(dá)1060 μWm-1K-2。特別是，在相同的電導(dǎo)率下，PVDF/50 wt% Ta4SiTe4薄膜的澤貝克系數(shù)遠(yuǎn)高于基于碳納米管或金屬納米線的有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合薄膜。Ta4SiTe4自身的半導(dǎo)體輸運(yùn)特性和一維結(jié)構(gòu)共同產(chǎn)生了上述的優(yōu)良電輸運(yùn)性能。
在實(shí)現(xiàn)優(yōu)良電輸運(yùn)性能的同時(shí)，維度匹配的PVDF和Ta4SiTe4所形成的有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合薄膜也具有良好的柔性。在直徑9 mm的曲面上反復(fù)彎曲5000次，PVDF/50 wt% Ta4SiTe4薄膜電阻沒(méi)有明顯變化。研究團(tuán)隊(duì)初步制備了包含4個(gè)PVDF/50 wt% Ta4SiTe4熱電單偶的原型熱電器件，在溫差35.5K時(shí)，器件歸一化大功率密度達(dá)到0.13 Wm-1，是現(xiàn)有報(bào)道的柔性熱電器件的大值。
研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、上海市青年科技啟明星項(xiàng)目等的資助和支持。
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