废热变电能 “中国薄膜”创柔性热电材料世界纪录

本文转自：人民网

我国科学家研制出一种不规则多级孔结构的新型热电聚合物薄膜（IHP-TEP）。来源：中国科学院化学研究所

人民网北京3月6日电 （记者赵竹青）智能手表、健康监测贴片……未来，这些可穿戴设备或许再也不用为频繁充电烦恼。北京时间3月6日，中国科学院化学研究所朱道本院士/狄重安研究员团队联合国内合作者在国际学术期刊《Science》上发表有机热电材料最新研究成果。该团队提出“无序中创造有序”新策略，研制出一种不规则多级孔结构的新型热电聚合物薄膜（IHP-TEP），其核心性能指标热电优值（zT值）在343K温度下达到1.64，创造了柔性热电材料的同温区世界纪录。

随着智能手表、健康监测贴片等可穿戴设备的普及，频繁充电成为这些电子设备的共同痛点。若能利用体温和各种环境温差发电，有望实现电子设备“永不断电”。热电材料是达成这一目标的关键材料，它可实现热能-电能的直接相互转换：当材料两端存在温差时，可直接将热能转化为电能，即“塞贝克效应”；反过来，通电后材料一端会变热，另一端变冷，即“帕尔贴效应”。这一特性使得高性能热电材料在废热回收、固态制冷等领域具有广阔应用前景，尤其适用于可穿戴设备、物联网传感器等新型电子产品的自供电需求，更一直被科学界认为是国际上的重大科学难题和颠覆性研究方向之一。

有机热电材料兼具本征柔性与可溶液加工特性，可贴附于不同曲面，将人体热能或环境的“废热”持续转化为电能。与传统的无机热电材料相比，聚合物材料具有质轻、柔性好、可大面积印刷等显著优势。但是，长期以来，聚合物热电材料的性能始终落后于无机材料。目前，柔性无机材料的zT值可以达到1.0-1.4，而有机热电材料的zT值大多低于0.5。2024年，该团队将聚合物热电材料的zT值提升到1.28，但仍然无法媲美高性能柔性无机材料，且制备过程复杂，制约其走向实用化。

聚合物热电性能提升的关键挑战在于各性能参数相互耦合与制约，难以独立调控。理想的热电材料符合“声子玻璃-电子晶体”模型：对热量传递，材料要像“玻璃”一样具有无序结构，让声子寸步难行；对电荷传输，材料要像“晶体”一样具有有序的分子堆积，让电荷畅通无阻。这种“电-热输运的协同调控”难度极高，成为长期制约聚合物热电性能提升的瓶颈。

朱道本院士/狄重安研究员等研究团队研制的这种具有不规则多级孔结构的热电聚合物薄膜（IHP-TEP），建立了“无序孔增强声子散射”与“限域增强有序分子组装”的协同调控新机制。该材料内部布满尺寸各异、形状不一、分布无序的纳米至微米级孔洞。这一结构可有效增强多重声子散射，显著抑制热传导；同时，纳米孔道的限域效应促使聚合物分子高度有序排列，显著提升电荷输运性能。形象地说，这一结构如同在崎岖山地中修建高速公路：无序孔洞迫使热量“翻山越岭”、寸步难行，而有序分子通道则保障电荷“高速通行”，两者各司其职，互不干扰，成功实现了电-热输运的解耦和协同调控。

研究团队采用“聚合物相分离”方法构建该结构：将PDPPSe-12（聚合物半导体）和PS（聚苯乙烯，常见塑料）溶液均匀混合，溶剂挥发过程中，两者会发生相分离。通过精确控制共混比例等参数，可调控孔的大小、数量和分布。IHP-TEP结构可协同调控声子-边界散射、声子-声子相互作用与尺寸效应等，使热导率降低72%。同时，孔的限域效应增强了分子有序组装，载流子迁移率最高可以提升52%。在343K时zT值最高达到1.64，超越了柔性无机热电材料的同温区性能。此外，该结构与喷涂技术相兼容，在大面积柔性发电方面具有重要应用潜力。

该研究打破了聚合物热电材料电荷输运与声子散射难以协同优化的传统局限，为柔性热电材料领域提供了新的发展路径。未来，随着相关技术的持续发展，我们身边的“塑料”制品，都有可能成为微型发电站和贴身空调，让废弃热量成为宝贵资源，使绿色能源无处不在，触手可及。