中国科学家突破柔性热电技术：塑料薄膜变身新型能量转换器
3月6日，中国科学院化学研究所发布了一项最新科研动态：朱道本/狄重安团队在高性能有机热电材料领域取得了突破性进展。
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随着可穿戴电子设备和贴附式物联网等新兴产业的迅猛崛起，市场对柔性供能技术与便携式制冷方案的需求日益迫切。柔性热电器件能够巧妙地利用人体或环境中的废热进行发电，还能反过来实现高效薄膜制冷，无疑是满足上述需求的关键技术之一。有机热电材料具备本征柔性和溶液加工等独特优势，是柔性热电材料的核心体系，但长期以来一直受到性能不佳和加工工艺复杂的双重制约。科研团队创新性地利用化学原理，协同调控短程有序分子组装体的电、热输运性能，这一思路有望攻克前述挑战，从而推动有机热电材料走向实际应用。
▲ IHP-TEP 结构的设计理念与表征结果
据悉，该研究团队在国家自然科学基金委、中国科学院和北京市的专项支持下，化学所有机固体实验室朱道本/狄重安研究团队与张德清课题组通力合作，提出并成功构建了一种名为“不规则多级孔热电聚合物（IHP-TEP）”的全新材料。通过创新性地发展聚合物相分离的临界调控方法，研究团队制备出的IHP-TEP薄膜呈现出“多孔无序-孔道有序”的独特结构，即孔结构在亚10纳米至微米尺度呈现随机分布，而孔道内部区域则展现出精准的分子有序组装特征。这种多级结构能有效抑制热振动的传播，同时显著提升载流子迁移率，从而带动薄膜热电性能的全面提升。
“声子玻璃-电子晶体”被认为是热电材料的理想模型，它对材料的结构提出了看似矛盾的要求，即需要兼具无序性与有序性。此前，该团队曾提出“多周期异质组装”的设计理念，通过在相对有序的聚合物聚集体中引入无序的异质界面，成功实现了热电性能的大幅提升。然而，这一策略难以协同优化多种热电参数，很难逼近分子材料的本征性能上限。
本次研究中，团队另辟蹊径，提出了“在无序中创造有序”的全新思路。他们发展出“无序孔增强声子散射”与“限域增强分子有序组装”的双重调控机制，利用PDPPSe-12和PS两种聚合物的相分离过程，精巧构筑了具有独特多孔结构的薄膜。研究发现，这种多孔结构能产生声子-边界散射、声子-声子相互作用及尺寸效应等多重声子散射机制，从而将材料的热导率大幅降低72%。与此同时，相分离过程中的限域效应显著增强了聚合物的有序组装程度，使载流子迁移率最高提升了52%。经过优化，薄膜的功率因子最高可达772 µW·m⁻¹·K⁻²，热导率最低仅为0.16 W·m⁻¹·K⁻¹，在343 K时获得的最高ZT值达到1.64，实现了聚合物热电材料性能的跨越式突破。此外，这种结构薄膜可采用喷涂技术实现大面积制备，在低成本柔性发电与制冷器件等领域展现出巨大的应用潜力。
上述研究开创了通过调控聚合物热电材料中电荷运输与声子散射解耦的新范式，为驱动热塑性塑料及其柔性热电器件的持续技术突破提供了全新的路径。
相关研究成果已发表于国际顶刊《科学》上。该工作也得到了中国科学院化学研究所怀柔研究中心的工程技术支撑。
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