塑料也能发电？我国科学家研制出高性能塑料基热电材料

想象这样的未来：贴附在皮肤上的透明薄膜，能利用体温与环境温差持续为智能手表供电；智能服装可以自主调节温度，实现冬暖夏凉的效果；工厂管道废热被柔性材料高效回收并用以发电。这些曾出现在科幻作品中的场景，正在通过柔性热电材料的研究快步走向现实。

我国科学家在《自然》发表了一项突破性研究，该研究由中国科学院化学研究所与北京航空航天大学等机构的研究团队完成，通过创新设计的聚合物多异质结（PMHJ）结构，将柔性热电材料的性能提升至接近商用水平，让可穿戴能源设备的规模化应用指日可待。

热电效应：热能与电能可以相互转换

热电效应是一种能够实现热能与电能直接相互转换的物理现象。这种双向转换包含两个核心效应：塞贝克效应（Seebeck effect）实现热能向电能的转换，对应温差发电应用；帕尔贴效应（Peltier effect）则实现电能向热能的转换，对应热电制冷应用。这两个效应共同构成了现代热电技术的理论基础。

热电器件温差发电和热电制冷示意图

（图片来源：参考文献[1]）

1821年，德国物理学家托马斯·塞贝克在实验中发现了一个奇妙现象：当两种不同导体或半导体材料组成闭合回路，并在接头处施加温度差时，回路中会产生电动势。这一发现后来被命名为塞贝克效应。其物理机制可以形象地理解为“电子瀑布”——高温端的电子获得更多动能，向低温端流动，从而形成电势差。

热电效应比较明显的热电偶连接到万用表，可以用于显示温度

（图片来源：维基百科）

13年后，法国科学家帕尔贴发现了这一现象的逆过程：当电流通过两种材料组成的回路时，一个接头会吸收热量，另一个接头则会释放热量。这一效应相当于电子在移动过程中“搬运”热量，其本质就是一个固态制冷过程。帕尔贴效应的发现为无机械运动部件的电子制冷技术奠定了基础。

USB供电的便携式冷却器

（图片来源：维基百科）

热电优值：评判材料热电性能的金标准

理解了热电效应的基本原理后，科学家们一直在寻找能够替代传统发电机组和压缩式制冷机的固体热电材料。虽然从理论上说，所有材料都具备热电效应，但绝大多数材料的这种效应都微乎其微，难以满足实际应用需求。那么，什么样的材料才能称得上是优秀的热电材料呢？

答案就藏在“热电优值ZT”这个关键参数中。ZT值就像给热电材料打分一样，综合考量了材料的三个重要特性：

ZT=（S²σ/κ）T

其中每个参数都代表着材料的一项关键能力：

塞贝克系数S（单位μV/K）：就像材料的“温差敏感度”，数值越大说明越擅长将温差转为电压。

电导率σ（单位S/cm）：反映材料导电能力的强弱。

热导率κ（单位W/(m • K)）：衡量材料导热性能，数值越小越能保持温差。

一个完美的热电材料需要在这三个方面都表现出色：高塞贝克系数、高电导率、低热导率。这就像要寻找一个既跑得快（高电导），又对温度敏感（高塞贝克系数），还不能太“热心”（低热导）的全能选手。正是这种严苛的要求，使得高性能热电材料的开发充满了挑战。

柔性半导体：让电子器件“穿”在身上

在科学家们不断探索高性能热电材料的过程中，一系列突破性材料相继问世，如铋碲合金、锡硒单晶等传统热电材料。然而，这些无机材料普遍存在硬度高、脆性大的特点，难以满足可穿戴设备的需求。这时，柔性半导体材料走进了科研人员的视野。

利用柔性半导体材料制得的热电发电机（TEGs）具有三大独特优势：一是超强贴合性，可以像创可贴一样紧贴皮肤或复杂曲面；二是完全静音，没有任何运动部件参与；三是稳定可靠，不用担心震动和弯曲。

一些导电聚合物的化学结构

（图片来源：维基百科）

其中，聚合物半导体材料（也就是俗称的“导电塑料”）尤为引人注目。它们不仅轻如羽毛，还能通过溶液加工实现低成本制造，其天然的柔软特性更是完美契合可穿戴设备的需求。

然而，聚合物材料面临一个关键瓶颈——热电转换效率太低（ZT值仅0.01-0.5），远不如商用块体材料（ZT298K=0.8-1.0）。这一差距的根源在于：在“声子玻璃-电子晶体”理论模型框架下，理想热电材料需要同时满足高电导率（σ）和低热导率（κ）的矛盾需求——电荷传输接近晶体极限，而声子散射达到非晶极限。目前，尽管无机超晶格和二维层状结构通过多尺度微结构工程成功解耦电子-声子传输，实现ZT值显著提升，但这些方法难以直接应用于聚合物体系。尽管科研人员付出了数十年努力，尝试了各种方法提升其性能，进展却始终有限。

强强联手：当柔性材料遇上高效热电

在基于聚合物的柔性热电材料研究陷入瓶颈之际，中国科学家团队在《自然》期刊发表的突破性研究，为这一领域带来了曙光。这项研究创造性运用聚合物多异质结（PMHJ）结构——由两种聚合物层及其混合界面层周期性排列而成，将柔性材料的可穿戴特性与高效热电性能完美结合。

PMHJ结构中基础材料和交联剂的化学本质

（图片来源：参考文献[5]）

为实现PMHJ（聚合物多异质结）设计理念，研究者选用两种不同的优异热电性能聚合物（PDPPSe-12与PBTTT）作为基础材料，利用交联剂（4Bx）进行薄膜交联，精准控制交联后的PDPPSe-12和PBTTT层厚分别为6nm和4nm（相当于2-3个分子层），界面互穿层设计为4nm，最终形成（6,4,4）的PMHJ结构。

PMHJ薄膜结构示意图（其中PDPPSe-12层和PBTTT层分别用蓝色和绿色表示）

（图片来源：参考文献[5]）

PMHJ薄膜不仅保持优异功率因子（PF=S² • σ，该数值与塞贝克系数、电导率均为正相关），还通过增强界面声子散射获得低面内热导率。该薄膜在368 K时达到0.18W • m⁻¹ • K⁻¹的低面内热导率和628μW • m⁻¹ • K⁻²的高功率因子，最终获得1.28的峰值ZT值，其性能媲美同温区商用块体材料和其它柔性热电候选材料。这一成果确立了纳米结构调控晶格热导率对突破塑料材料ZT限制的关键作用。更重要的是，PMHJ结构与可扩展涂覆工艺的兼容性，为开发超柔性、低成本的可穿戴热电技术开辟了新途径。

溶液涂覆大面积PMHJ薄膜的实际应用与展示

（图片来源：参考文献[5]）

当清晨的第一缕阳光洒下，你的智能衣物已在体温的滋养中苏醒；当城市的脉搏开始跳动，无数柔性热电装置正默默转化着被遗忘的热能。这不再是对未来的憧憬，而是即将到来的现实。

在这条通向绿色未来的道路上，中国科学家们已经矗立起第一块里程碑。随着这项技术的不断发展，我们有理由相信，一个自供电、低排放的智能世界正在向我们走来——而这，或许就是人类与自然和谐共生的终极答案。

参考文献：

[1] 郭凯,骆军,赵景泰.热电材料的基本原理、关键问题及研究进展[J].自然杂志,2015,37(03):175-187.

[2] 钱伯章.我国科学家研制出高性能塑料基热电材料[J].合成材料老化与应用,2024,53(05):87.DOI:10.16584/j.cnki.issn1671-5381.2024.05.025.

[3]甘晓.“塑料”与“温差”的美丽邂逅[N].中国科学报,2024-07-26(001).DOI:10.28514/n.cnki.nkxsb.2024.001551.

[4] 陈海明,靳宝善.有机半导体器件的现状及发展趋势[J].微纳电子技术,2010,47(08):470-474.

[5]Wang D, Ding J, Ma Y, et al. Multi-heterojunctioned plastics with high thermoelectric figure of merit [J]. Nature, 2024, 632(8025): 528-35.

出品：科普中国

作者：刘煜超（中国科学技术大学）

监制：中国科普博览