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用體溫為手機(jī)充電，讓篝火成為野營的電力之源……這些都是人們對(duì)未來綠色能源的美好愿景。中國科學(xué)院化學(xué)研究所朱道本、狄重安研究團(tuán)隊(duì)和北京航空航天大學(xué)趙立東課題組等在高性能聚合物熱電材料研制方面取得重要進(jìn)展，有望讓這一夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。這一重要成果于7月24日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。
塑料也能發(fā)電
研究團(tuán)隊(duì)提出并構(gòu)建了聚合物多周期異質(zhì)結(jié)（PMHJ）熱電材料。具體而言，就是利用兩種不同的聚合物構(gòu)建周期有序的納米結(jié)構(gòu)，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(gè)分子層的厚度，并且界面層內(nèi)部呈現(xiàn)體相混合的特征。這一納米限域的結(jié)構(gòu)不但可以保證有效的電荷傳輸，而且可以高效散射聲子與類聲子傳播。
也就是說，PMHJ薄膜相對(duì)普通聚合物薄膜更接近高性能熱電材料的“聲子玻璃—電子晶體”理想模型，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。
據(jù)介紹，具有高塞貝克系數(shù)、高電導(dǎo)率和低熱導(dǎo)率的“聲子玻璃—電子晶體”模型，就是指材料需要像玻璃一樣阻擋熱量（聲子）傳導(dǎo)，但又像晶體一樣允許電荷自由移動(dòng)，也就是讓聲子“寸步難行”而讓電荷“暢通無阻”。雖然，科學(xué)界普遍認(rèn)為聚合物具有聲子玻璃特征，從而具有本征低熱導(dǎo)率，但實(shí)際上，很多高電導(dǎo)聚合物薄膜和理想的“聲子玻璃”有很大差異，制約了聚合物熱電性能的提高。在過去十余年中，科學(xué)家們利用分子創(chuàng)制、組裝和摻雜調(diào)控聚合物薄膜的塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率及其制約關(guān)系，但熱電優(yōu)值一直停留在0.5附近，遠(yuǎn)低于商品化無機(jī)熱電材料的性能，制約了塑料基熱電材料的發(fā)展。
研究團(tuán)隊(duì)利用中國科學(xué)院化學(xué)研究所張德清課題組和英國牛津大學(xué)Iain McCulloch課題組發(fā)展的PDPPSe-12和PBTTT兩種聚合物，以及韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院BongSoo Kim課題組發(fā)展的交聯(lián)劑，結(jié)合分子交聯(lián)方法，構(gòu)筑了具有不同結(jié)構(gòu)特征的PMHJ薄膜；通過與清華大學(xué)王冬課題組的理論合作研究，他們揭示了熱導(dǎo)率的尺寸效應(yīng)和界面漫反射效應(yīng)。此外，PMHJ結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的普適性，其加工方式與溶液法制備技術(shù)兼容，在柔性供能器件方面具有重要應(yīng)用潛力。
業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，上述研究打破了現(xiàn)有高性能聚合物熱電材料不依賴熱輸運(yùn)調(diào)控的認(rèn)知局限，為塑料基熱電材料領(lǐng)域的持續(xù)突破提供了新路徑。
