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  隨著柔性和可穿戴電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，開發(fā)高效環(huán)保的自供能電源將進(jìn)一步滿足其日益多樣化的需求。熱能作為一種廣泛存在的可持續(xù)能源尚未被有效利用和收集。其中，人體始終保持約 36 ?C 的表面溫度，其與外界環(huán)境的溫差將形成有效的熱能供給源。熱電器件（TEG）利用Seebeck效應(yīng)可以實現(xiàn)熱能和電能之間的直接轉(zhuǎn)換，是一種極具潛力的長效穩(wěn)定的電源。然而，當(dāng)前基于有機(jī)/無機(jī)復(fù)合熱電材料（尤其是薄膜材料）的TEG通常被組裝成可利用面內(nèi)溫差的平面型結(jié)構(gòu)（in-plane TEG），其溫度梯度平行于TEG器件襯底的方向，這種平面型的TEG很難滿足高效散熱的要求，而且難以實現(xiàn)大面積熱源的有效利用。相比之下，垂直型TEG（cross-plane TEG，溫度梯度垂直于器件平面）可以方便利用大面積熱源，并優(yōu)化熱傳輸效率。此外， TEG在實際應(yīng)用中通常還會承受外部應(yīng)力（拉伸、壓縮、彎曲等），尤其作為可穿戴器件，應(yīng)具有匹配適應(yīng)人體運(yùn)動的柔性和可拉伸性。因此，選擇具有優(yōu)異、穩(wěn)定熱電性能的熱電材料并將其合理設(shè)計成柔性器件，有望促進(jìn)其在自供能可穿戴應(yīng)用的發(fā)展。

  鑒于此，澳門大學(xué)應(yīng)用物理及材料工程研究院孫國星副教授、深圳大學(xué)材料學(xué)院陳光明特聘教授、劉卓鑫助理教授設(shè)計了一種基于PEDOT-Tos/Te/SWCNTs三元納米復(fù)合材料柔性薄膜的具有可壓縮、可拉伸、可穿戴特性的螺旋形結(jié)構(gòu)熱電器件。相關(guān)工作以“Initiating a stretchable, compressible and wearable thermoelectric generator by a spiral architecture with ternary nanocomposites for efficient heat harvesting”為題于近期發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

文章亮點：

  1. 構(gòu)筑具有獨特層狀結(jié)構(gòu)的聚(3,4-乙烯二氧基噻吩)-tosylate/Te/單壁碳納米管(PEDOT-Tos/Te/SWCNTs)三元納米復(fù)合柔性薄膜，其最佳功率因子為131.9±8.5 μW m^-1 K^-2，約為純PEDOT-Tos的120倍，并在一定的彎曲形變下表現(xiàn)出穩(wěn)定的熱電化學(xué)性能，具有較好的穩(wěn)定性。

PEDOT-Tos/Te/SWCNTs三元復(fù)合柔性薄膜的制備及柔性表征

PEDOT-Tos/Te/SWCNTs三元復(fù)合柔性薄膜的熱電性能

  2. 基于該三元納米復(fù)合薄膜較高的機(jī)械柔性和熱電性能，開發(fā)設(shè)計了一種三維螺旋型TEG，該螺旋型TEG既具有可拉伸、可壓縮、可彎曲的特性，同時還可以利用垂直溫差實現(xiàn)有效的熱電轉(zhuǎn)換。此外，該器件經(jīng)過多次拉伸和壓縮循環(huán)后，還能提供穩(wěn)定的能量輸出，在實際應(yīng)用方面具有潛在的應(yīng)用價值。

  3. 基于熱電腿的類型（p-type leg, n-type leg）和數(shù)量（5p，10p，5pn），以及器件兩端施加的溫差（0-100 K）的不同，詳細(xì)分析了三種TEGs（TEG-5p, TEG-10p, TEG-5pn）的輸出性能。結(jié)果表明，TEG-5pn 具有較高的輸出性能，溫差為60 K和100 K時其功率密度分別為461.33 μW cm^-2 和 1422.22 μW cm^-2.

  4. 該螺旋型TEG不僅可以穿戴于手腕上收集人體熱量，還可以固定于燒杯上利用其中熱水或液氮與外界的溫差發(fā)電。該結(jié)構(gòu)設(shè)計用途廣泛，為熱電復(fù)合材料在柔性電子和可穿戴應(yīng)用上提供了可行的借鑒思路。

TEG-5p和TEG-10p的熱電輸出性能

TEG-5pn的熱電輸出性能及其穩(wěn)定性表征，三種TEGs的性能比較，及其實際應(yīng)用探索

  該論文的第一作者為澳門大學(xué)應(yīng)用物理及材料工程研究院博士生梁麗榮，通訊作者為孫國星副教授，共同通訊作者為深圳大學(xué)陳光明特聘教授、劉卓鑫助理教授。相關(guān)研究得到了由深圳市基礎(chǔ)研究項目（No. JCYJ20200109105604088）、國家自然科學(xué)基金（No. 51973122）、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目（港澳）（No.5212290021）、深港澳科技計劃(c)（No. SGDX2020110309360）以及廣東省高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才項目（No. 2020KQNCX061）的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202111435