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张兴、马维刚课题组在全固态离子热电研究中取得重要进展

以离子为载流子的塞贝克效应为开发高性能热电器件开辟了全新途径,然而,当前已报道的离子热电材料依然受到各种因素限制,存在一些难以克服的瓶颈。离子热电材料多以含有水溶液的凝胶为主,液体容易蒸发或泄漏,导致其稳定性欠佳,且离子热电材料以P型为主,可选择的N型材料种类非常有限。目前尚缺乏针对全固态离子型热电材料P-N型转换的普适性机理和有效调控方法,极大地限制了离子热电的实际应用。

张兴教授、马维刚副教授课题组和香港科技大学黄宝陵副教授课题组合作报道了一种可选择性调控P-N型的全固态柔性离子热电复合材料(PVDF-HFP/NaTFSI/PC)。该材料室温下展示出高塞贝克系数(20 mV K-1)并且具有良好的机械强度和稳定性。通过引入强电负性三(五氟苯基)硼烷(TPFPB)分子,有效地抑制了阳离子在聚合物中的输运,成功将该P型材料调控至N型(-6 mV K-1)。通过傅里叶变换红外和拉曼光谱等实验表征并结合分子动力学模拟,研究人员系统研究了离子热电性能关键参数间的耦合关系,发现塞贝克系数与阴、阳离子产生的伊士曼熵变绝对值具有紧密联系,当阳离子产生的熵变值高于阴离子时,复合材料表现为P型,反之为N型,对揭示全固态离子热电材料P-N型转换的物理机制具有重要意义。

图1 (a) P-N型转换调控示意图,(b)电压响应方向对比图,(c)P型至N型塞贝克系数变化图,(d)P型和N型离子产生熵变图,(e)已报道的P-N型塞贝克系数范围对比图

此外,研究人员开发了基于离子热电效应的无接触式自供电热智能探测器,在较宽的光、热刺激范围内展现出优异的响应特性、可重复性和高灵敏度。同时,研究人员开发出由13对P-N热电臂组成的平面式热传感器,该传感器在10K温差下可产生2.5V稳定电压。

该研究对离子热电关键参数调控和新型离子热电材料开发具有重要的指导意义,为基于离子热电效应的器件设计与开发提供了新范式。相关成果以“选择性调控全固态柔性离子热电材料的塞贝克系数及其应用于热感知的研究”(Selectively TuningIonic Thermopower in All-Solid-State Flexible Polymer Composites for Thermal Sensing)为题,于1月11日在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)期刊上。

图2 (a)离子热电发电机,(b)离子热电探测器,(c)发电机在不同温差下的响应结果,(d)热探测器在不同热源下的响应,(e)无接触式自反馈控制图

清华大学dafabet黄金手机版博士后赤骋,清华大学在职博士后、陕西科技大学副教授安盟为文章的共同第一作者。清华大学马维刚副教授、香港科技大学黄宝陵副教授为该文章的共同通讯作者。合作者包括美国伍斯特理工学院王岩教授、张瑞寒博士,澳大利亚昆士兰大学巴里斯·德米尔(Baris Demir)研究员等。该研究成果得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金等项目的资助。

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-021-27885-2