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在過去十余年中,科學家利用分子創(chuàng)制、組裝和摻雜調(diào)控聚合物薄膜的塞貝克系數(shù)、電導率及其制約關系,但其熱電優(yōu)值遠低于商品化熱電材料的性能,這一困境直接制約了塑料基熱電材料領域的發(fā)展。
為破解熱電材料的性能困境制約,合作團隊研究提出并構建了新型的PMHJ熱電材料,具體而言,就是利用兩種不同的聚合物構建周期有序的納米結構,其中每種聚合物的厚度均小于10納米,兩種材料的界面約為2個分子層的厚度,并且界面層內(nèi)部呈現(xiàn)體相混合的特征。
研究團隊指出,高性能熱電材料應具備高塞貝克系數(shù)、高電導率和低熱導率,而理想的模型就是“聲子玻璃-電子晶體”模型。具體來說,材料需要像玻璃一樣阻擋熱量(聲子)傳導,但又像晶體一樣允許電荷自由移動,也就是讓聲子“寸步難行”而讓電荷“暢通無阻”。
研究團隊介紹說,導電聚合物不但具有和傳統(tǒng)塑料類似的柔性、易加工性和低成本等特點,還可以通過分子設計和化學摻雜攜帶電荷,從而表現(xiàn)出導電性。更神奇的是,很多導電聚合物可作為熱電材料,即當在聚合物薄膜上施加溫度差時,材料兩端就會產(chǎn)生電動勢(塞貝克效應);而當在材料兩端構建導電回路并施加電壓時,導電塑料薄膜的兩端也會產(chǎn)生溫度差(帕爾貼效應)。
c7c7娱乐.app中新網(wǎng)北京7月25日電 (記者 孫自法)塑料能發(fā)電嗎?如何發(fā)電?這一材料科學前沿和最具挑戰(zhàn)方向之一的問題,長期以來備受關注。中國科學家最新研究提出并構建了聚合物多周期異質(zhì)結(PMHJ)熱電材料,有望大幅提升材料的熱電性能,從而為利用塑料實現(xiàn)高效溫差發(fā)電提供了全新思路。
研究團隊展望說,以PMHJ熱電材料研究取得重要進展為契機,人們對未來“用體溫為手機充電,讓篝火成為野營的電力之源……”等美好愿景,也許在不久后就會成為現(xiàn)實:通過熱電塑料和溫差的“邂逅”,能夠產(chǎn)生各種“觸手可及”的清潔能源,實現(xiàn)所有相關的奇思妙想。(完)
這一納米限域的結構不但可以保證有效的電荷傳輸,同時可以高效散射聲子與類聲子傳播。也就是說,PMHJ薄膜相對普通聚合物薄膜更接近“聲子玻璃-電子晶體”模型,有望大幅提升材料的熱電性能,從而為高性能塑料基熱電材料的研究提供全新思路。
科學界普遍認為,聚合物具有“聲子玻璃”特征,從而具有本征低熱導率。但實際上,很多高電導聚合物薄膜具有有序分子排列的結晶區(qū),和理想的“聲子玻璃”有很大差異,直接制約了聚合物熱電性能的提高。
在中外科學家之前研發(fā)出兩種聚合物、交聯(lián)劑等相關成果基礎上,研究團隊構筑具有不同結構特征的PMHJ薄膜。進一步通過系統(tǒng)實驗及與理論合作研究,研究團隊揭示出其熱導率的尺寸效應和界面漫反射效應,并推動達到商品化材料的室溫區(qū)熱電性能水平,直接帶動塑料基熱電材料步入新的時代。此外,PMHJ結構具有優(yōu)異的普適性,其加工方式與溶液法制備技術兼容,在柔性供能器件方面具有重要應用潛力。
基于這些現(xiàn)象,人們可以利用輕質(zhì)與柔軟的塑料來實現(xiàn)溫差發(fā)電,發(fā)展貼附式和可穿戴的綠色能源;也有望將其編織成塑料纖維,變成可以控制溫度的服裝。不過,這些功能的實現(xiàn)都需要發(fā)展高性能的聚合物熱電材料。
這項打破現(xiàn)有高性能聚合物熱電材料不依賴熱輸運調(diào)控的認知局限、為塑料基熱電材料領域的持續(xù)提升提供新路徑的重要材料研究進展,由中國科學院化學研究所朱道本院士和狄重安研究員團隊、北京航空航天大學趙立東教授團隊以及中外另7個團隊合作完成,北京時間7月24日夜間,相關成果論文在國際著名學術期刊《自然》上線發(fā)表。
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