祝贺中国科学家研制出高性能塑料基热电材料

2024-07-30 16:45:09 239阅读次数

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在很多人看来，塑料是不能导电的。但实际上很多塑料也能导电，这种塑料被称为导电聚合物。科学家们发现，让这种导电聚合物薄膜出现温差，它就可以发电，这就是聚合物热电材料。我国科学家近日在这一领域取得重要进展，提出并构建了聚合物多周期异质结（PMHJ）热电材料，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。

这一成果由中国科学院化学研究所朱道本/狄重安研究团队、北京航空航天大学赵立东课题组及国内外其他7个研究团队合作完成，相关论文“Multi-heterojunctioned plastics with high thermoelectric figure of merit”于2024年7月24日发表在Nature期刊上。论文通讯作者为中国科学院化学研究所狄重安研究员和北京航空航天大学赵立东教授，共同第一作者为中国科学院化学研究所王东洋博士、丁嘉敏博士和马英乔博士。

高性能热电材料应具有高塞贝克系数、高电导率和低热导率，满足“声子玻璃-电子晶体”模型。科学界普遍认为，聚合物具备声子玻璃特征，从而具有本征低热导率。基于此，高性能有机热电材料的现有主要研究路径是通过分子创制、组装和掺杂调控塞贝克系数、电导率及其制约关系。尽管人们通过热导率表征评估了有机材料的热电优值，但缺乏热输运性质的调控策略，相应体系的热电优值在过去十余年内没有显著提升。到目前为止，现有聚合物材料的室温区热电优值一直停留在0.5附近，远低于商品化无机热电材料的性能。研究团队利用PDPPSe-12和PBTTT两种聚合物，结合分子交联方法，构筑了具有不同结构特征的PMHJ薄膜，揭示了其热导率的尺寸效应和界面漫反射效应。研究发现，当每种聚合物的厚度接近共轭骨架的“声子”平均自由程时，界面散射明显增强，薄膜的晶格热导率降低70%以上，达到0.1 W m^-1 K^-1。此外，掺杂态（6,4,4）PMHJ薄膜展现出优异的电输运性质，功率因子高达628 μW m^-1 K^-2，368 K下的热电优值为1.28，达到商品化材料的室温区热电性能水平，带动塑料基热电材料步入ZT>1.0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。

该研究成果打破了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发展提供了新路径。在本研究实验中，未掺杂的PDPP3T, PDPP4T, P3HT, PDPPSe-12, PBTTT及其相应厚度为540nm的PMHJ薄膜的热导率κ，以及不同FeCl₃参杂浓度的PDPPSe-12，PBTTT和（6,4,4）PMHJ薄膜的热电性能（塞贝克系数S，电导率σ，热导率κ，热电优值ZT）均使用了林赛斯薄膜综合物性分析仪（Linseis thin-film analyser system， TFA）进行了表征，为研究成果提供了可靠的数据支持。在此，祝贺中国科学院化学研究所朱道本/狄重安等团队在高性能有机热电材料研究方面取得重要进展，同时非常荣幸林赛斯薄膜综合物性分析仪能在此研究中发挥了重要的作用，我们期望并致力于在未来能为科研事业提供更多的支持和帮助。