中科大刘建伟ACS Nano：新型波浪结构碳纳米管光热电设备实现自供能传感与全天候能量收集

近年来，柔性光热电设备因其能够同时收集太阳能和环境中低品位热能而备受关注，成为能源转换领域的研究热点。然而，现有设备大多依赖刚性三维结构来增强温度梯度，不仅缺乏柔性，还难以实现全天候发电，且无法同步响应光热与结构变化，限制了其在可穿戴设备中的应用。

针对上述挑战，中国科学技术大学刘建伟教授研究团队成功设计出一种具有波浪状结构的柔性光热电设备，该设备结合热驱动技术与辐射冷却策略，实现了可逆结构变形、稳定温度梯度和全天候发电能力。通过在聚酰亚胺薄膜上间隔印刷表面功能化的单壁碳纳米管，形成了高度集成的p-n结阵列，从而实现了光热响应。该设备在100 mW cm⁻²的太阳辐照下可实现20 K的温差，突破了传统光热设备的局限，并能在夜间持续发电。相关论文以“Wavy-Structured Carbon Nanotube Photo-Thermoelectric Device for Self-Powered Sensing and Energy Harvesting”为题，发表在ACS Nano。

研究团队首先通过功能化处理调控单壁碳纳米管的费米能级，分别制备出p型与n型墨水，并利用挤出印刷技术在柔性基底上构建出p-n结热电偶结构。图1展示了SWCNTs的能带结构、PTE器件的结构设计、波浪形构型及其可逆光热驱动变形过程。该结构在光或热刺激下可实现从平面到波浪形态的可逆转换，有效增强了器件表面的温度梯度。

图1. （a）基于UPS测量的SWCNTs、PEI@SWCNTs和PAA@SWCNTs的能带结构示意图；（b）PTE器件的结构设计；（c）基于热驱动与辐射冷却的波浪结构光电器件及其温度梯度增强效果示意图；（d）PTE器件在光热作用下的可逆驱动变形过程。

为了赋予器件辐射冷却与热驱动能力，团队制备了Al₂O₃@PDMS复合墨水，并将其印刷在PI薄膜上。图2展示了SWCNTs功能化与掺杂后的元素含量、UPS和XPS谱图，证实PAA和PEI成功修饰了SWCNTs表面，分别增强了p型和n型特性。图3进一步研究了SWCNT墨水的流变性能、Al₂O₃@PDMS的反射光谱、热膨胀系数差异以及双层结构的应力-应变行为，揭示了其热驱动机制。在光照下，Al₂O₃@PDMS层与PI基底之间的热膨胀系数差异引发器件自发弯曲，形成波浪结构，从而增强局部光吸收与热积累。

图2. SWCNTs功能化与掺杂表征：（a）SWCNTs、PAA@SWCNTs和PEI@SWCNTs中氧和氮元素的质量分数柱状图；（b）掺杂前后SWCNTs的UPS谱图；（c）掺杂前后SWCNTs的XPS谱图；（d–l）分别为原始SWCNTs、PAA掺杂与PEI掺杂SWCNTs的C 1s、N 1s和O 1s高分辨率XPS谱图。

图3. PTE器件的热驱动性能：（a）不同浓度SWCNT墨水的剪切应力与储能模量；（b）SWCNT浓度对剪切屈服应力的影响及两种浓度墨水的印刷形貌；（c）PI薄膜印刷Al₂O₃@PDMS前后的反射光谱；（d）Al₂O₃@PDMS与PI薄膜的热膨胀系数对比；（e）Al₂O₃@PDMS与PI薄膜的应力-应变曲线；（f）器件驱动后的热红外图像。

在性能测试方面，图4显示了器件在光照下的温度变化、输出电压与光强和温度的关系，以及夜间辐射冷却效果。实验表明，该器件在40至200 mW cm⁻²的光强范围内输出电压呈线性增长，夜间仍能维持约3 K的温差并持续发电。图5对比了器件正反两面的光电性能与热电性能，并进行了重复性、弯折寿命和长时间运行稳定性测试。结果表明，器件在7000次弯曲后电压输出变化小于5%，连续工作36小时后性能衰减不超过10%，展现出优异的机械耐久性与环境适应性。

图4. PTE器件的光热电性能测试与自供能传感：（a）冷热端温度随时间变化曲线；（b）不同温度下的温差与变形率；（c）不同光强下输出电压随时间变化；（d）光强与热端温度关系；（e）不同光强下稳定后冷热端温度；（f）PTE器件的光热电与热电原理示意图；（g）不同光强下器件的输出电压；（h）器件电压-温度曲线；（i）辐射冷却原理图；（j）夜间辐射冷却性能测试；（k）夜间电压随时间变化。

图5. PTE器件的耐久性测试：（a）器件正反面的光热电性能；（b）器件正反面在外部加热下的热电性能；（c）10个器件的输出电压重复性；（d）光暗循环下电阻稳定性；（e）多次弯折后电阻变化曲线；（f）弯折疲劳测试。

综上所述，该研究通过全印刷工艺成功制备出具有波浪结构的柔性光热电器件，融合了热驱动与辐射冷却双重机制，实现了高效的光-热-电转换与多功能传感。器件不仅具备良好的柔韧性、可逆结构变形能力和全天候发电特性，还在重复弯曲和长期运行中表现出卓越的稳定性，为下一代可穿戴电子设备及自供能传感系统提供了新的技术路径。