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賓夕法尼亞大學(xué)楊澍教授團(tuán)隊(duì) Sci. Adv.：液晶彈性體/鋯鈦酸鉛柔性熱釋電能量收集器
2025-02-17  來源：高分子科技

  近日，賓夕法尼亞大學(xué)Shu Yang（楊澍）研究團(tuán)隊(duì)在《Science Advances》發(fā)表了題為《Flexible pyroelectric energy harvesters from nanocomposites of liquid crystal elastomers/lead zirconate titanate nanoparticles》的研究論文（Sci. Adv. 2025, 11, eadt6136），報(bào)道了一種新型的柔性熱釋電能量收集器。該器件利用液晶彈性體（LCE）和鋯鈦酸鉛（PZT）納米顆粒的復(fù)合材料，通過二次熱釋電效應(yīng)顯著提高了能量轉(zhuǎn)換性能，總熱釋電系數(shù) p 為 -4.01 nC·cm?2·K?1。實(shí)驗(yàn)表明，該器件可有效收集環(huán)境溫度波動(dòng)中的熱能，并成功驅(qū)動(dòng)LED等電子器件，為未來的可穿戴電子設(shè)備和自供能系統(tǒng)提供了新的可能性。論文的共同第一作者為賓夕法尼亞大學(xué)博士生Shangsong Li (李尚松) 和博士Yuchen Wang（王宇晨）。


  在全球能源短缺和可再生能源利用需求增長的背景下，如何高效地回收和利用環(huán)境中的廢熱成為科研熱點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國超過 60% 的總發(fā)電量以廢熱形式損失。傳統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換方法（如塞貝克效應(yīng)）在環(huán)境溫度分布均勻的情況下難以發(fā)揮作用，而熱釋電效應(yīng)因能夠利用溫度波動(dòng)進(jìn)行能量收集而備受關(guān)注。本研究提出了一種基于LCE和PZT納米顆粒的復(fù)合材料，該材料不僅具備熱釋電特性，還能夠通過 LCE 產(chǎn)生的熱應(yīng)力增強(qiáng)二次熱釋電效應(yīng)，進(jìn)而提高整體的熱電轉(zhuǎn)換性能。相比于常見的柔性熱釋電材料，如聚偏氟乙烯（PVDF），本研究的LCE/PZT 復(fù)合材料的熱釋電系數(shù)提升了 49%。
研究團(tuán)隊(duì)采用了兩步硫醇-丙烯酸酯邁克爾加成反應(yīng)制備 LCE 薄膜，并在其中均勻分散由甲基丙烯酰氧基硅烷（TMSPMA）表面修飾的 PZT 納米顆粒。通過調(diào)整 LCE 的液晶分子排列方式（單疇或多疇）及邊界條件（固定或自由），優(yōu)化了 LCE 對(duì) PZT 納米顆粒的應(yīng)力傳遞效果。


LCE/PZT 復(fù)合材料的概念與材料制備。(A) 通過 LCE 熱應(yīng)力與 PZT 顆粒之間的相互作用產(chǎn)生的二次熱釋電效應(yīng)，以增強(qiáng)整體熱釋電效應(yīng)的核心概念示意圖。(B) 用于制備 LCE 的單體、鏈擴(kuò)展劑和交聯(lián)劑的分子結(jié)構(gòu)，以及表面修飾的 PZT。(C) 原始 PZT 納米顆粒和改性 PZT 納米顆粒的 紅外光譜。(D) 負(fù)載 42.7 wt% PZT 納米顆粒的 LCE/PZT 薄膜的橫截面 SEM 圖像。插圖：PZT 的晶體結(jié)構(gòu)。(E) LCE/PZT 能量收集器的示意圖。


  實(shí)驗(yàn)表明，在固定邊界條件下的單疇 LCE/PZT 復(fù)合材料表現(xiàn)出最優(yōu)的熱釋電性能。在最高加熱速率 0.20 K/s 的條件下，固定單疇 LCE/PZT（42.7 wt% PZT）樣品的短路電流達(dá) 2.81 nA，開路電壓達(dá) 6.23 V，對(duì)應(yīng)的熱釋電系數(shù) p 為 -4.01 nC·cm?2·K?1，遠(yuǎn)超 PVDF 的 -2.70 nC·cm?2·K?1。研究團(tuán)隊(duì)通過理論計(jì)算和有限元仿真模擬研究了LCE 對(duì)熱釋電效應(yīng)的增強(qiáng)機(jī)理。多疇 LCE/PZT 復(fù)合材料因內(nèi)部應(yīng)力相互抵消，未能顯著增強(qiáng)二次熱釋電效應(yīng)。在固定邊界條件下，單疇 LCE/PZT 復(fù)合材料因沿取向方向產(chǎn)生較大應(yīng)力，表現(xiàn)出最強(qiáng)的熱釋電信號(hào)增強(qiáng)效果。
該能量收集器能夠在 15 秒內(nèi)為 0.22 μF 電容充電，并為 LED 供電。在 9 輪循環(huán)測試中，設(shè)備穩(wěn)定輸出約 3.4 V 電壓和 約1.1 mA 電流，顯示出良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。


LCE/PZT 熱釋電能量收集器的應(yīng)用演示。(A) 利用 LCE/PZT 熱釋電能量收集器為電容充電并點(diǎn)亮 LED 的電路示意圖。(B) 綠色 LED 在供電前（左）和被 LCE/PZT 能量收集器點(diǎn)亮后（右）的照片。比例尺：2 cm。(C) 和 (D) 分別為 LED 在九個(gè)循環(huán)過程中的電壓 (C) 和電流 (D) 變化曲線，其中粉色區(qū)域表示電容充電過程，藍(lán)色區(qū)域表示 LED 供電過程。


  本研究通過引入 LCE柔性基體，成功增強(qiáng)了 PZT 納米材料的熱釋電效應(yīng)，為開發(fā)高效柔性熱能收集器提供了新思路，在可穿戴設(shè)備、無線傳感器、智能電子皮膚等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。未來，通過優(yōu)化材料組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該技術(shù)有望進(jìn)一步提升能量轉(zhuǎn)換效率和輸出功率，并拓展至更多的自供能設(shè)備領(lǐng)域。


  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt6136

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