陕科大张荔/南昆士兰大学陈志刚Materials Today：柔性热电——从材料到器件

通讯作者：张荔，陈志刚

第一作者：张荔

第一单位：陕西科技大学材料学院，陕西省无机材料绿色制备与功能化重点实验室

能量在使用过程中大多以废热形式排出浪费，热电材料可将热能直接转换为电能从而提高能量利用率。如今随着多功能、微型电子技术和产品的不断发展，探索大功率的微瓦—毫瓦自充电技术显得尤为重要。柔性热电材料和器件可以利用较小的温差进行发电，而且除了工业废热，自然界中的光热和人体热能等均可作为其可持续的绿色能量来源，因此在为可穿戴和可植入电子产品提供持续的电源动力方面展现出巨大的应用潜力。陕西科技大学张荔副教授与澳大利亚南昆士兰大学陈志刚教授课题组总结了近年来柔性热电材料的研究进展和器件的设计思路，以综述形式发表于材料领域国际顶级期刊Materials Today (https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.02.016)。

该综述全面总结了五大类柔性热电材料的最新研究热点，包括导电高分子热电材料、有机/无机热电材料、全无机热电材料、纤维基热电材料和绿色生物质基热电材料。作者针对每一大类柔性热电材料，介绍了其基本原理和提高热电性能的策略，同时精心选取了近年来的典型示例并加以详细说明。此外，该综述还总结了目前柔性热电器件的先进设计策略，包括采用涂覆/基底/支架材料、柔性连接线/电极材料和优化不同材料间的界面接触。最后，该综述对柔性热电材料和器件的发展提出了目前存在的挑战问题和对未来的前景展望。（全文26幅图，以下精选12张）

图1柔性热电材料及其在不同领域的应用

图2 p型和n型掺杂高分子的电荷转移机理示意图，F4TCNQ蒸汽掺杂P3HT薄膜及P3HT和F4TCNQ的化学结构，典型的酸碱掺杂剂和相应的酸碱反应，不同种类磺酸的浓度与其掺杂PEDOT:PSS薄膜的电导率关系图，各种磺酸掺杂PEDOT:PSS薄膜在最佳掺杂浓度下的平均电导率值。

图3 热电水凝胶的结构和机理示意图，原始和拉伸水凝胶的照片以及水凝胶的应力-应变曲线，水凝胶附着与手机电池的示意图，三种使用的离子液体和PVDF-HFP的化学结构式，含80 wt% EMIM DCA的各种离子凝胶的赛贝克系数值，离子热电电容器的工作机理示意图，原始明胶与制备的明胶基离子热电材料的赛贝克系数值比较，明胶-0.8 M KCl-0.42/0.25 M FeCN4-/3-对赛贝克系数的贡献分数，原始明胶和明胶-0.8 M KCl-0.42/0.25 M FeCN4-/3-的拉伸试验。

图4 PEDOT/Bi₂Te₃有机无机复合膜的制备工艺示意图及热电性能，柔性复合热电纺线的制造工艺及热电性能，PEDOT:PSS/Cu-BST复核材料和器件及其不同Cu含量的赛贝克系数值变化。

图5 PDDA/PEDOT:PSS-graphene/PDDA/PEDOT:PSS-DWNT的层层沉积过程示意图，聚苯胺链与石墨烯之间的π-π共轭。

图6 Ag₂Se, Ag₂Te和Ag₂S的柔性—ZT图，不同形状的Ag₂S_0.5Se_0.5和Ag₂S_0.8Te_0.2样品及全无机柔性热电器件，通过将不同比例的S 加入Ag₂Te实现非晶化以及相应柔性材料的微结构、热电性能和机械性能。

图7 湿纺法制备PEDOT:PSS纤维及其杨氏模量图，连续湿纺法制备的PEDOT:PSS纤维中PEDOT分子链的堆积示意图以及PEDOT:PSS纤维被缝入衣服中发电，经H₂SO₄处理前后的PEDOT:PSS水凝胶纤维及其作为器件的输出性能。

图8 棉花作为支撑基底的碳纳米纤维生物复合热电材料，Ag纳米线/纤维素纸基柔性热电材料及器件，经过不同后处理的Bi₂Te₃/纤维素纳米纤维的机械性能和接触角，木质素掺杂碳纳米管纱线的载流子过滤机制和热电性能。

图9 两种不同的柔性弯曲测试。

图10 PDMS涂覆Bi₂Te₃ 薄膜的柔性测试，PDMS涂覆前后的薄膜微结构变化以及各自相应的弯曲机制，MF、PCMF和PCMF/PDMS的拉伸应力与应变曲线，以及相应的弯曲测试，插入图为单个PCMF/PDMS纤维拉伸力为20 g时的照片。

图11 柔性铜线连接块状铋碲基热电腿组成的柔性热电器件，FPCBs作为柔性覆盖电极连接块状铋碲基热电腿组成的柔性热电器件，利用双正弦蛇形线连接热电腿的柔性热电器件原理图。

图12具有良好弯曲、扭转和压缩的p/n支腿垂直交替排列的织物示意图，基于一侧p型一侧n型的碳纳米管纤维的柔性热电器件原理图，丙烯酸塑料包覆掺杂碳纳米管纤维的柔性热电器件设计原理图。

作者简介

张荔，博士，副教授，硕士生导师，国家自然科学基金委评议专家，陕西省高层次人才计划入选者。主要从事热电能量转换材料及其器件的研究，2016年国家公派博士毕业于澳大利亚新南威尔士大学（2021年QS世界大学排名44位）材料科学与工程学院。2017年引进陕西科技大学材料科学与工程学院工作，目前主持国家级和省部级项目共4项，包括国家自然科学青年基金，陕西省自然科学青年基金，陕西省高层次人才计划项目等。近年来在Materials Today，Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials & Interfaces等国际学术期刊上发表论文。申请中国发明专利10项，已授权4项。

史晓磊研究员，就职于澳大利亚南昆士兰大学未来材料中心，开放学术期刊Micromachines特刊编辑（IF=2.523）。于2008及2011年在北京科技大学分别取得材料学学士及硕士学位，毕业后就职于清华大学摩擦学国家重点实验室深圳微纳研究室进行科研工作。2015年获得澳大利亚国际留学生全额奖学金（RTP）开始在澳大利亚昆士兰大学攻读博士，2018年度国家优秀自费留学生奖学金获得者，并于2019年获得博士学位。其研究方向集中于热电材料，材料表面与界面，化学以及纳米科学领域。共在Chem. Rev. (1篇)，Prog. Mater. Sci. (1篇)，Energy Environ. Sci. (2篇)，Adv. Mater. (1篇)，Adv. Energy Mater. (2篇)，ACS Nano (1篇)，Energy Storage Mater. (1篇)，Adv. Sci. (1篇)，Nano Energy (7篇)，ACS Energy Lett. (1篇)，J. Mater. Chem. A (1篇)，Chem. Mater. (2篇)等国际学术期刊上发表论文80余篇，中国发明专利4项，其中以第一及通讯作者身份发表论文近 30篇。这些论文被SCI引用1700余次，H-index达到25。

陈志刚，澳大利亚南昆士兰大学能源学科讲席教授（Professor of Energy Materials），澳大利亚南昆士兰大学功能材料学科带头人。长期从事功能材料在能量转化的基础和应用研究。2008年博士毕业后即成功申请到“澳大利亚研究理事会博士后研究员”职位，前往澳大利亚昆士兰大学机械与矿业学院工作，先后担任研究员，高级研究员，荣誉副教授，后转入澳大利亚南昆士兰大学担任功能材料学科带头人，先后主持共计七百万澳元的科研项目，其中包括6项澳大利亚研究委员会、1项澳大利亚研究委员会工业转化研究中心，1项澳大利亚科学院、2项州政府、10项工业项目和10项校级的科研项目。在南昆士兰大学和昆士兰大学工作期间，共指导17名博士生和3名硕士研究生，其中已毕业博士生5名和硕士生2名。在Nat. Energy, Nat. Nanotech.、Nat. Commun.、Chem. Rev.，Prog. Mater. Sci.、 Energy Environ. Sci.,  Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Edit., Nano Lett.等国际学术期刊上发表280余篇学术论文。这些论文共被Scopus引用15400余次，H-index达到62。

本文由作者投稿。