助力塑料实现温差发电 中国科学家研制热电新材料获重要进展

　　这项打破现有高性能聚合物热电材料不依赖热输运调控的认知局限、为塑料基热电材料领域的持续提升提供新路径的重要材料研究进展，由中国科学院化学研究所朱道本院士和狄重安研究员团队、北京航空航天大学赵立东教授团队以及中外另7个团队合作完成，北京时间7月24日夜间，相关成果论文在国际著名学术期刊《自然》上线发表。

　　为何研究

　　研究团队介绍说，导电聚合物不但具有和传统塑料类似的柔性、易加工性和低成本等特点，还可以通过分子设计和化学掺杂携带电荷，从而表现出导电性。更神奇的是，很多导电聚合物可作为热电材料，即当在聚合物薄膜上施加温度差时，材料两端就会产生电动势(塞贝克效应)；而当在材料两端构建导电回路并施加电压时，导电塑料薄膜的两端也会产生温度差(帕尔贴效应)。

　　基于这些现象，人们可以利用轻质与柔软的塑料来实现温差发电，发展贴附式和可穿戴的绿色能源；也有望将其编织成塑料纤维，变成可以控制温度的服装。不过，这些功能的实现都需要发展高性能的聚合物热电材料。

　　有何难点

　　研究团队指出，高性能热电材料应具备高塞贝克系数、高电导率和低热导率，而理想的模型就是“声子玻璃-电子晶体”模型。具体来说，材料需要像玻璃一样阻挡热量(声子)传导，但又像晶体一样允许电荷自由移动，也就是让声子“寸步难行”而让电荷“畅通无阻”。

　　科学界普遍认为，聚合物具有“声子玻璃”特征，从而具有本征低热导率。但实际上，很多高电导聚合物薄膜具有有序分子排列的结晶区，和理想的“声子玻璃”有很大差异，直接制约了聚合物热电性能的提高。

　　在过去十余年中，科学家利用分子创制、组装和掺杂调控聚合物薄膜的塞贝克系数、电导率及其制约关系，但其热电优值远低于商品化热电材料的性能，这一困境直接制约了塑料基热电材料领域的发展。

　　如何突破

　　为破解热电材料的性能困境制约，合作团队研究提出并构建了新型的PMHJ热电材料，具体而言，就是利用两种不同的聚合物构建周期有序的纳米结构，其中每种聚合物的厚度均小于10纳米，两种材料的界面约为2个分子层的厚度，并且界面层内部呈现体相混合的特征。

　　这一纳米限域的结构不但可以保证有效的电荷传输，同时可以高效散射声子与类声子传播。也就是说，PMHJ薄膜相对普通聚合物薄膜更接近“声子玻璃-电子晶体”模型，有望大幅提升材料的热电性能，从而为高性能塑料基热电材料的研究提供全新思路。

　　在中外科学家之前研发出两种聚合物、交联剂等相关成果基础上，研究团队构筑具有不同结构特征的PMHJ薄膜。进一步通过系统实验及与理论合作研究，研究团队揭示出其热导率的尺寸效应和界面漫反射效应，并推动达到商品化材料的室温区热电性能水平，直接带动塑料基热电材料步入新的时代。此外，PMHJ结构具有优异的普适性，其加工方式与溶液法制备技术兼容，在柔性供能器件方面具有重要应用潜力。

　　研究团队展望说，以PMHJ热电材料研究取得重要进展为契机，人们对未来“用体温为手机充电，让篝火成为野营的电力之源……”等美好愿景，也许在不久后就会成为现实：通过热电塑料和温差的“邂逅”，能够产生各种“触手可及”的清洁能源，实现所有相关的奇思妙想。(完)