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深圳大學(xué)陳光明/梁麗榮《Nano Energy》：PEDOT:PSS纖維基柔性熱電器件
2022-08-07  來(lái)源：高分子科技

  近十年來(lái)，有機(jī)熱電（TE）材料（尤其是導(dǎo)電聚合物基TE材料）的研究取得了顯著進(jìn)展。其中，PEDOT:PSS具有獨(dú)特的溶液可加工性和簡(jiǎn)便的溶劑處理等優(yōu)點(diǎn)，可簡(jiǎn)便得到具有優(yōu)異TE性能的PEDOT:PSS薄膜。與薄膜相比，纖維在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的TE器件方面具有更好的適應(yīng)性，且在可穿戴TE織物領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而，迄今為止，簡(jiǎn)便安全的制備PEDOT:PSS紡絲液通過(guò)高效、快速的濕法紡絲工藝來(lái)制備兼具柔性和優(yōu)異TE性能的PEDOT:PSS纖維，仍然是一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。


  鑒于此，深圳大學(xué)陳光明特聘教授課題組采用簡(jiǎn)便的冷凍-解凍（FT）處理誘導(dǎo)PEDOT:PSS水分散液凝膠化，然后快速濕法紡絲，制備了高電導(dǎo)率（1013 ± 32 S cm-1）的PEDOT:PSS柔性纖維，進(jìn)而組裝了柔性TE器件。該器件可以利用人體熱或冰塊低溫與外界產(chǎn)生的溫差產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓。相關(guān)工作以“A PEDOT:PSS Thermoelectric Fiber Generator”為題近期發(fā)表在《Nano Energy》上。


文章亮點(diǎn)：


  1. 通過(guò)簡(jiǎn)便、安全的冷凍-解凍法，誘導(dǎo)了PEDOT:PSS水分散液的凝膠化，進(jìn)而制備紡絲液，再結(jié)合連續(xù)和快速的濕法紡絲工藝，高效制備了PEDOT:PSS柔性纖維，紡絲速度可達(dá)1037 mL h-1，優(yōu)于大多數(shù)文獻(xiàn)中報(bào)道的紡絲速度。

 

圖1. 紡絲液及其PEDOT:PSS纖維的制備


  2. 通過(guò)凍融次數(shù)、針頭長(zhǎng)徑比、紡絲速度與凝固浴類型等條件的優(yōu)化，在最佳紡絲條件下所得PEDOT:PSS纖維的電導(dǎo)率達(dá)到1013 ± 32 S cm-1, 優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的濕紡PEDOT:PSS纖維，其功率因子為34 ± 2 μW m-1 K-2。另外，在一定的機(jī)械形變（纏繞或扭轉(zhuǎn)）下，該纖維表現(xiàn)出穩(wěn)定的TE性能。


 圖2. PEDOT:PSS纖維的TE性能及其穩(wěn)定性


  3. 基于該PEDOT:PSS纖維較高的機(jī)械柔性與TE性能，組裝了柔性TE器件。不僅可以利用人體皮膚熱量或冰塊低溫產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓，而且在電壓放大器輔助下點(diǎn)亮LED燈，表明其對(duì)多種應(yīng)用場(chǎng)景具有良好的適應(yīng)性。同時(shí)，該器件經(jīng)過(guò)200次循環(huán)彎曲形變后，能狗提供穩(wěn)定的能量輸出，表明在自供電柔性/可穿戴電子方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

 

圖3. 柔性TE器件的輸出性能及其穩(wěn)定性


  該論文的第一作者為深圳大學(xué)材料學(xué)院碩士研究生劉莉，通訊作者為深圳大學(xué)陳光明特聘教授，共同通訊作者為深圳大學(xué)梁麗榮助理教授和鄧亮副研究員（現(xiàn)在美的集團(tuán)），得到了UCLA陳俊教授的幫助。相關(guān)研究得到了深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（No. JCYJ20200109105604088）和國(guó)家自然科學(xué)基金（No. 51973122）的資助。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107678

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