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蘇州大學(xué)張克勤教授、廖良生教授、卓明鵬副教授 Sci. Adv.: 用于高性能熱管理和高效電能輸出的大面積輻射調(diào)制熱電織物
2025-01-16  來(lái)源：高分子科技

  通過(guò)壓電效應(yīng)、光熱效應(yīng)、熱電效應(yīng)和水力電效應(yīng)從環(huán)境或人體中收集機(jī)械能、廢熱、太陽(yáng)能、水汽化學(xué)能等低品位能量，并轉(zhuǎn)換成經(jīng)濟(jì)且可持續(xù)的電力，已成為自供電傳感器、能量存儲(chǔ)和可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域的重要研究方向。


圖1 輻射調(diào)制熱電織物結(jié)構(gòu)


  近期，蘇州大學(xué)張克勤教授、廖良生教授、卓明鵬副教授基于前期在個(gè)人熱管理織物和柔性太陽(yáng)能熱電器件設(shè)計(jì)開發(fā)的研究基礎(chǔ)上（ACS Nano 2022, 16, 15000: Sci. Adv. 2023, 9, eadh8917; Adv. Fiber Mater. 2023, 5, 1725; Chem. Eng. J. 2024, 479, 147571），提出了一種將日間被動(dòng)輻射冷卻（PDRC）膜覆蓋熱電陣列構(gòu)建輻射調(diào)制熱電織物的低成本、高性能、可擴(kuò)展的新策略（圖1）。一方面通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備了具有96.9%反射率和96.8%大氣透明窗口發(fā)射率的大面積聚偏氟乙烯PDRC膜，展現(xiàn)了優(yōu)異的輻射冷卻性能（圖2）。另一方面采用經(jīng)濟(jì)高效的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，通過(guò)精細(xì)調(diào)碳納米管（CNT）溶液流變性，在大面積的商業(yè)織物上制造了高密度的CNT基熱電陣列，陣列密度超過(guò)560對(duì)（圖3）。利用，PDRC膜和CNT對(duì)太陽(yáng)光譜優(yōu)異的調(diào)控特性所展現(xiàn)的出色的降溫和升溫效果，通過(guò)優(yōu)化PDRC膜覆蓋熱電陣列的面積（圖4），為實(shí)現(xiàn)服裝熱管理的同時(shí)為CNT熱電陣列構(gòu)建理想的巨大溫差。在一個(gè)強(qiáng)度為800W/m2的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光輻照下，0.2m2的輻射調(diào)控?zé)犭娍椢铽@得了37K的理想溫差，實(shí)現(xiàn)了能量密度為0.2 mW/ m2和電壓密度為6.67 V/m2的電能輸出。該輻射調(diào)控?zé)犭娍椢镞具有優(yōu)異的抗拉伸和耐水洗性，在智能可穿戴應(yīng)用具有巨大的應(yīng)用前景。該輻射調(diào)控?zé)犭娍椢飳?duì)光照條件具有靈敏的響應(yīng)性，為柔性自供能探測(cè)器的發(fā)展提供了新思路（圖5），進(jìn)一步與升壓模塊集成，在夏天普通光照條件下，能夠?yàn)樾⌒碗娮釉O(shè)備進(jìn)行供電，為輻射調(diào)控服裝與熱電纖維等能量收集與轉(zhuǎn)換纖維集成提供了理論指導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有效推動(dòng)了柔性能量收集與轉(zhuǎn)換器件的發(fā)展和應(yīng)用。該研究為收集太陽(yáng)能提供了一種輕便且經(jīng)濟(jì)高效的方法，推動(dòng)了柔性電子設(shè)備的批量生產(chǎn)，并促進(jìn)了實(shí)際應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。該工作以“Large-area radiation-modulated thermoelectric fabrics for high-performance thermal management and electricity generation”為題發(fā)表在《Sci. Adv.》上（Sci. Adv. 2025, 11, eadr2158）。


圖2 輻射調(diào)制熱電織物的設(shè)計(jì)與制造


圖3 基于絲網(wǎng)印刷的熱電陣列的光熱性能


圖4 輻射調(diào)制熱電織物的輸出性能


圖5 輻射調(diào)制熱電織物的應(yīng)用


工作亮點(diǎn)


  經(jīng)濟(jì)高效的輻射調(diào)節(jié)熱電織物設(shè)計(jì)：通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備了具有高反射率和優(yōu)異輻射冷卻性能的PDRC膜，并采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在商業(yè)織物上制造了CNT基熱電陣列，陣列密度超過(guò)560對(duì)。
  卓越的光熱轉(zhuǎn)化性能：通過(guò)優(yōu)化PDRC膜覆蓋熱電陣列的面積，織物在實(shí)際太陽(yáng)輻射下展現(xiàn)出高溫差（ΔT = 37 K），展示出高效的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化能力。
  優(yōu)異的熱電轉(zhuǎn)換性能：織物在0.8 sun下建立了6.67 V/m2的電壓密度，具有出色的可穿戴電子設(shè)備應(yīng)用潛力和小型設(shè)備電力驅(qū)動(dòng)能力。
  個(gè)人熱管理與熱電技術(shù)集成：通過(guò)PDRC膜的被動(dòng)輻射和CNT的光熱轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)陽(yáng)光輻照的出色調(diào)控，實(shí)現(xiàn)熱管理的同時(shí)為CNT熱電器件構(gòu)建了理想的溫差，實(shí)現(xiàn)了高效電能輸出。


作者簡(jiǎn)介

張克勤，特聘教授、博士研究生導(dǎo)師，現(xiàn)任蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院院長(zhǎng)，從事納米功能材料、纖維材料及其復(fù)合材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。2000年12月獲南京大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位后，先后于德國(guó)馬普金屬研究所、新加坡國(guó)立大學(xué)、哈佛大學(xué)開展凝聚態(tài)物理及材料研究。2020-2022年三次入選全球“高被引科學(xué)家”；撰寫學(xué)術(shù)專著5部；主持國(guó)家自然科學(xué)基金5項(xiàng)，主持參與國(guó)家重大研發(fā)計(jì)劃、863等項(xiàng)目5次；并獲得國(guó)家科技發(fā)明二等獎(jiǎng)（2019年）一項(xiàng)。任美國(guó)物理學(xué)會(huì)終身會(huì)員，美國(guó)材料學(xué)會(huì)、中國(guó)功能材料學(xué)會(huì)理事等學(xué)術(shù)兼職。


廖良生，教授、博士生導(dǎo)師、俄羅斯工程院外籍院士，1982年獲南昌大學(xué)物理系理學(xué)學(xué)士學(xué)位；1988年、1996年先后獲南京大學(xué)物理系理學(xué)碩士學(xué)位和理學(xué)博士學(xué)位。1982.1-1993.9 先后任南昌大學(xué)物理系助教、講師、副教授（其間于1989.6-1990.9，在美國(guó)California State University, Northridge進(jìn)修訪問(wèn)）；1996.3-2000.12在復(fù)旦大學(xué)物理系從事博士后研究，隨后留任副教授（其間于1998.12-2000.6，任香港城市大學(xué)超金剛石及先進(jìn)薄膜研究中心特邀研究員）；2000.12-2009.3任美國(guó)柯達(dá)公司研發(fā)部研究員；2009.3加入蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院，被聘為教授、博士生導(dǎo)師，曾任研究院常務(wù)副院長(zhǎng)，F(xiàn)兼任江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有機(jī)光電技術(shù)研究所執(zhí)行所長(zhǎng)。


卓明鵬，蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院副教授。2014年和2016年分別獲南昌大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)士和碩士學(xué)位。2019年獲蘇州大學(xué)功能納米與軟材料研究院博士學(xué)位。2019年獲得中國(guó)博士后創(chuàng)新人才計(jì)劃資助在廖良生教授課題開展博士后研究工作。主要研究方向是有機(jī)光電功能低維微納米晶體和多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的精細(xì)合成，光電功能納米材料的改性合成及其差異化纖維應(yīng)用，能量收集轉(zhuǎn)化功能纖維織物設(shè)計(jì)開發(fā)與智能穿戴應(yīng)用。


  原文鏈接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adr2158

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