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  晴天時，太陽光的直接輻射會加熱人體周圍的空氣，使得人體周圍環(huán)境溫度升高；同時，到達(dá)人體服裝的太陽光也會加熱服裝的表面，使得被陽光照射部位的服裝吸收轉(zhuǎn)換太陽能后，其表面溫度會高于人體體表溫度。此時，所產(chǎn)的熱能將由人體外部向人體體表進(jìn)行傳遞。而當(dāng)人體處在沒有陽光直射的環(huán)境（如夜晚，陰天，雨天，雪天等）時，人體體表的溫度則會高于外部大氣環(huán)境溫度。此時，人體熱量則是從人體體表流向外部大氣環(huán)境。綜上可知，當(dāng)人處在不同的大氣環(huán)境中時，人體微環(huán)境中則會產(chǎn)生不同方向的溫度梯度。因此，人體微環(huán)境中熱能（人體自身熱輻射和外界熱輻射）的收集、轉(zhuǎn)化對于延長可穿戴電子產(chǎn)品的使用壽命具有重大的意義。

  天津工業(yè)大學(xué)李婷婷副教授與臺灣逢甲大學(xué)林佳弘特聘教授、亞洲大學(xué)樓靜文特聘教授合作，基于前期對PEDOT:Tos 涂層織物低溫界面聚合工藝參數(shù)的優(yōu)化（Prog Org Coat 2020.105919; Smart Mater. Struct. 2021. 30 015003），提出一種基于PEDOT/ PPy雙殼結(jié)構(gòu)的光熱電轉(zhuǎn)換復(fù)合織物。研究內(nèi)容以“Dual-Shell Photothermoelectric Textile Based on a PPy Photothermal Layer for Solar Thermal Energy Harvesting”為題發(fā)表在一區(qū)TOP期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》上(影響因子9.229)。

雙殼結(jié)構(gòu)光熱電織物制備

  具有本征柔性的有機(jī)導(dǎo)電聚合物適合加工制備柔性可穿戴器件。其中，PEDOT還兼具優(yōu)異的熱電性能，而PPy則具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能�；诖耍ㄟ^PEDOT和PPy材料的協(xié)同作用則可開發(fā)出具有良好光熱電轉(zhuǎn)換的PEDOT-PPy復(fù)合織物。如圖1a所示，以聚丙烯非織布為基底，采用低溫界面聚合獲得PP-PEDOT-PPy光熱電復(fù)合織物。所制備織物具有柔軟、可導(dǎo)電的特性，可用于柔性可穿戴器件。

圖1 雙殼結(jié)構(gòu)熱電織物的制備過程及其柔性和導(dǎo)電性演示

圖2 PP-PEDOT-PPy復(fù)合織物的 SEM觀察和EDS分析

  低溫界面聚合使PP-PEDOT-PPy纖維獲得由內(nèi)至外的雙殼結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中， PEDOT層作為熱電層（內(nèi)殼），驅(qū)動熱電轉(zhuǎn)化；PPy層作為光熱層（外殼），完成光熱轉(zhuǎn)化。通過光熱層和熱電層的協(xié)同作用，可以同時實(shí)現(xiàn)光能--電能的一體轉(zhuǎn)化。

圖3 熱電手環(huán)設(shè)計，及其使用場景示意圖

  為了實(shí)現(xiàn)光熱電織物在可穿戴領(lǐng)域應(yīng)用，基于熱電組件基本原理，以PP-PEDOT-PPy熱電織物作為p極，以PP-Ag導(dǎo)電織物為n極，在低導(dǎo)熱基底上構(gòu)建出可貼附于皮膚表面的柔性織物熱電手環(huán)，如圖3所示。該手環(huán)無論有無陽光照射，均可不間斷地收集人體微環(huán)境中的熱能。

圖4織物熱電手環(huán)輸出電壓穩(wěn)定性測試

  采用13對p-n熱電腳組裝的織物熱電手環(huán)在紅外燈照射下，表現(xiàn)出良好的光熱電轉(zhuǎn)化效果，輸出電壓可達(dá)2mV左右。此外，在實(shí)際環(huán)境測試中，在陽光直接照射前后，織物熱電手環(huán)的輸出電壓從0.083mV上升到0.677mV。而在收集人體熱能時，輸出電壓可從0.007mV提升到0.187mV。由此可見所制備的織物熱電手環(huán)可以收集人體微環(huán)境熱能。此外，該織物熱電手環(huán)輸出電壓表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性（見圖4）。

  綜上所述，制備的雙殼結(jié)構(gòu)PP-PEDOT-PPy熱電織物，具有優(yōu)異的熱電、光熱轉(zhuǎn)化性能。以PP-PEDOT-PPy織物、PP-Ag織物和低熱導(dǎo)率紡織基底組裝的織物光熱電手環(huán)，可以成功實(shí)現(xiàn)對人體微環(huán)境的熱能收集和轉(zhuǎn)化。這項(xiàng)工作表明，高柔性、低成本的光熱電織物在可穿戴熱電設(shè)備中具有潛在的應(yīng)用前景。該研究得到國家自然科學(xué)基金、福建省自然科學(xué)基金和天津市自然科學(xué)基金的支持。論文的第一作者為天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院張雪飛博士，天津工業(yè)大學(xué)李婷婷副教授、臺灣逢甲大學(xué)林佳弘特聘教授和臺灣亞洲大學(xué)樓靜文特聘教授為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、福建省自然科學(xué)基金和天津市自然科學(xué)基金的支持。

  論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c16401