助力塑料实现温差发电 中国科学家研制热电新材料获重要进展

发布时间:2024-10-31 08:29:47 来源: sp20241031

   中新网 北京7月25日电 (记者 孙自法)塑料能发电吗?如何发电?这一材料科学前沿和最具挑战方向之一的问题,长期以来备受关注。中国科学家最新研究提出并构建了聚合物多周期异质结(PMHJ)热电材料,有望大幅提升材料的热电性能,从而为利用塑料实现高效温差发电提供了全新思路。

本项研究成果中,PMHJ结构的设计思想与相关表征结果。中国科学院化学所/供图

  这项打破现有高性能聚合物热电材料不依赖热输运调控的认知局限、为塑料基热电材料领域的持续提升提供新路径的重要材料研究进展,由中国科学院化学研究所朱道本院士和狄重安研究员团队、北京航空航天大学赵立东教授团队以及中外另7个团队合作完成,北京时间7月24日夜间,相关成果论文在国际著名学术期刊《自然》上线发表。

  为何研究

  研究团队介绍说,导电聚合物不但具有和传统塑料类似的柔性、易加工性和低成本等特点,还可以通过分子设计和化学掺杂携带电荷,从而表现出导电性。更神奇的是,很多导电聚合物可作为热电材料,即当在聚合物薄膜上施加温度差时,材料两端就会产生电动势(塞贝克效应);而当在材料两端构建导电回路并施加电压时,导电塑料薄膜的两端也会产生温度差(帕尔贴效应)。

  基于这些现象,人们可以利用轻质与柔软的塑料来实现温差发电,发展贴附式和可穿戴的绿色能源;也有望将其编织成塑料纤维,变成可以控制温度的服装。不过,这些功能的实现都需要发展高性能的聚合物热电材料。

  有何难点

  研究团队指出,高性能热电材料应具备高塞贝克系数、高电导率和低热导率,而理想的模型就是“声子玻璃-电子晶体”模型。具体来说,材料需要像玻璃一样阻挡热量(声子)传导,但又像晶体一样允许电荷自由移动,也就是让声子“寸步难行”而让电荷“畅通无阻”。

  科学界普遍认为,聚合物具有“声子玻璃”特征,从而具有本征低热导率。但实际上,很多高电导聚合物薄膜具有有序分子排列的结晶区,和理想的“声子玻璃”有很大差异,直接制约了聚合物热电性能的提高。

  在过去十余年中,科学家利用分子创制、组装和掺杂调控聚合物薄膜的塞贝克系数、电导率及其制约关系,但其热电优值远低于商品化热电材料的性能,这一困境直接制约了塑料基热电材料领域的发展。

  如何突破

  为破解热电材料的性能困境制约,合作团队研究提出并构建了新型的PMHJ热电材料,具体而言,就是利用两种不同的聚合物构建周期有序的纳米结构,其中每种聚合物的厚度均小于10纳米,两种材料的界面约为2个分子层的厚度,并且界面层内部呈现体相混合的特征。

  这一纳米限域的结构不但可以保证有效的电荷传输,同时可以高效散射声子与类声子传播。也就是说,PMHJ薄膜相对普通聚合物薄膜更接近“声子玻璃-电子晶体”模型,有望大幅提升材料的热电性能,从而为高性能塑料基热电材料的研究提供全新思路。

  在中外科学家之前研发出两种聚合物、交联剂等相关成果基础上,研究团队构筑具有不同结构特征的PMHJ薄膜。进一步通过系统实验及与理论合作研究,研究团队揭示出其热导率的尺寸效应和界面漫反射效应,并推动达到商品化材料的室温区热电性能水平,直接带动塑料基热电材料步入新的时代。此外,PMHJ结构具有优异的普适性,其加工方式与溶液法制备技术兼容,在柔性供能器件方面具有重要应用潜力。

  研究团队展望说,以PMHJ热电材料研究取得重要进展为契机,人们对未来“用体温为手机充电,让篝火成为野营的电力之源……”等美好愿景,也许在不久后就会成为现实:通过热电塑料和温差的“邂逅”,能够产生各种“触手可及”的清洁能源,实现所有相关的奇思妙想。(完)

【编辑:田博群】