北京大学雷霆教授，Science之后，再发Nature，标题仅3个词！

皮肤上的“发电贴纸”，又柔又弹还能高效供电！

想象一下，一片薄薄的“贴纸”，柔软地贴在你的手臂上，伴随你的每一个动作弯曲、拉伸，却能源源不断地把体温差转化为电能，驱动传感器甚至小型设备。这听起来像是科幻电影里的场景，但它正是未来可穿戴能源器件的理想模样。现实中，这个目标并不容易实现。虽然过去十多年里，科学家们在热电材料方面取得了长足进展，但大多数高性能材料都只实现了“柔性”而非真正的“弹性”，尤其是n型有机热电材料，更因为掺杂剂稳定性差、分子体积大等问题，在大幅拉伸下性能迅速衰退。对于需要贴合皮肤、承受日常动作应变的发电机来说，这是一道无法回避的“硬伤”。

在此，北京大学材料科学与工程学院雷霆教授团队提出了一套“三步走”策略——均匀体相纳米相分离—热触发交联—精准n型掺杂，首次制备出既高性能又高弹性的n型热电弹性体（TEE）。这种材料不仅能在高达850%的拉伸下像橡胶一样恢复，还能在变形条件下维持接近无损的热电性能，室温ZT值最高达0.49，足以与部分无机柔性热电材料比肩。相关成果以“n-Type thermoelectric elastomers”为题发表在《Nature》上，第一作者为刘凯, 王静怡为共同一作。

分子到宏观的整体设计

作者借助汉森溶解度参数（HSP）筛选出与导电聚合物相容性最高的绝缘弹性体，让两者在混合时形成均匀的纳米级体相分离（图1a）。这种结构里，导电聚合物自组装成连续的纳米纤维网络，镶嵌在柔软的弹性体基体中，既保留了导电通道，又赋予材料优异的形变能力（图1b）。为了让这种网络在多次拉伸释放后依旧稳定，研究人员设计了一种双叠氮交联剂，可在加热时分解生成活性碳烯，与聚合物及弹性体的C–H键发生交联反应（图1c）。这样不仅提升了韧性，还抑制了分子链在应力下的滑移。最后一步是精准n型掺杂。团队发现，N-DMBI分子与聚合物骨架作用更强，能优先进入导电相（图1f），实现高效掺杂的同时保持纳米结构不被破坏。三步合一，奠定了材料在力学和电学性能上的“双高”基础。

图1：TEE设计策略的示意图。

结构决定性能：从均匀到超弹

图2的结果验证了这种设计的有效性。XPS深度分析显示，在高匹配组合（N1/SEBS、N2/IBR）中，导电相在膜厚方向分布均匀（图2a），而不匹配体系（N1/PDMS、N1/PU）则出现明显的上下分层（图2b）。均匀体相分离带来的直接好处，是力学性能的质变：引入弹性体后，断裂伸长率可从不足25%提升到375%，而交联处理后的c-N1/SEBS更是达到惊人的850%（图2e），远超ASTM标准对橡胶的回弹要求。更难得的是，这种超弹性并非以牺牲恢复率为代价。循环拉伸测试表明，在150%应变下，材料恢复率超过90%，能量损耗低于25%（图2h）。显微镜与AFM成像揭示了背后的机制：在高应变下，复合膜内部并未产生微裂纹，而是通过分子链沿拉伸方向重新取向（图2i），实现应力的有效分散，也为电子传输创造了有利条件。

图2：热电聚合物/弹性体复合材料的形态和机械性能的表征。

掺杂也要“精准投放”

如果说均匀结构和交联赋予了TEE“筋骨”，那么精准掺杂则是它的“血液循环”。在图3的对比中，传统热活化掺杂剂TAM在加入弹性体后，电导率从20 S/cm骤降到0.38 S/cm；而N-DMBI则让N1/SEBS的电导率从43.9 S/cm提升到65.9 S/cm（图3a）。分子动力学模拟和AFM-IR分析进一步证实，N-DMBI倾向于聚集在导电聚合物纳米纤维上（图3c），而非弹性体区域，实现了真正的“靶向”掺杂。性能数据同样亮眼：TEE-2（N2/IBR体系）功率因子达到514 μW·m⁻¹·K⁻²（图3d），总热导率比未引入弹性体的体系降低50%（图3e），室温ZT值0.49（图3g）刷新了有机n型热电材料纪录。更重要的是，在0–150%应变范围内，这些TEE的电导率和功率因子几乎不受影响（图3i），而未改性的聚合物在100%拉伸时性能会骤降25倍。这意味着，无论是静态还是动态环境，TEE都能稳定“发电”。

图3：掺杂剂的选择和热电特性表征。

从实验室走向可穿戴

有了高性能材料，下一步就是器件集成。图4展示了基于c-TEE的两种弹性热电发电机。平面型器件在48 K温差下输出功率229 nW（图4b），在皮肤与空气仅4 K的温差下也能稳定输出1.30 mV电压，可直接驱动低功耗传感器。垂直型器件采用立柱状结构，贴合手腕时能输出2.37 mV（图4d），并在弯曲、伸展中保持稳定输出。有限元模拟（图4e）显示，这种垂直型结构在贴合肘部弯曲时，热电柱最大拉伸应变仅23%，而传统有机或无机材料很难承受这样的形变。经过1000次25%应变循环，器件输出几乎无衰减（图4f），这得益于TEE的固有弹性与低模量，使其无需复杂互连就能实现高填充率与低热阻。这种特性对于未来柔性可穿戴能源器件来说，是一个决定性的优势。

图4：固有弹性TEG的制造和测量。

小结与展望

从均匀纳米结构到精准掺杂，从材料本体到器件实测，这项工作完成了n型热电弹性体从0到1的突破。作者提出的“三步走”策略不仅解决了n型有机热电材料在大应变下性能衰退的顽疾，还为未来的柔性可穿戴发电机提供了通用的设计范式。可以预见，随着分子排列和器件结构的进一步优化，结合3D打印等制造手段，这种“像皮肤一样的发电橡胶”将有望走进医疗监测、智能服装甚至软体机器人领域，为人类带来更加舒适、高效和可持续的能源解决方案。

来源：高分子科学前沿

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