我國科學(xué)家在高性能聚合物熱電材料研制方面取得重要進(jìn)展
2024-07-26
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我國科學(xué)家在高性能聚合物熱電材料研制方面取得重要進(jìn)展
- 分類(lèi)：新聞資訊
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- 發(fā)布時(shí)間：2024-07-26
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【概要描述】 碳元素可以與氫、氧、氮、磷、硫等元素形成化學(xué)鍵，從而構建出各種有機分子，這些分子單體通過(guò)周期性的鍵合可以形成高分子量的聚合物。目前，人工合成的聚合物，尤其是塑料，已經(jīng)在人們日常生活中無(wú)處不在。
我國科學(xué)家在高性能聚合物熱電材料研制方面取得重要進(jìn)展
【概要描述】 碳元素可以與氫、氧、氮、磷、硫等元素形成化學(xué)鍵，從而構建出各種有機分子，這些分子單體通過(guò)周期性的鍵合可以形成高分子量的聚合物。目前，人工合成的聚合物，尤其是塑料，已經(jīng)在人們日常生活中無(wú)處不在。
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碳元素可以與氫、氧、氮、磷、硫等元素形成化學(xué)鍵，從而構建出各種有機分子，這些分子單體通過(guò)周期性的鍵合可以形成高分子量的聚合物。目前，人工合成的聚合物，尤其是塑料，已經(jīng)在人們日常生活中無(wú)處不在。
傳統的聚合物為絕緣體，上世紀70年代科學(xué)家發(fā)現碘摻雜的聚乙炔具備導電能力，徹底顛覆了“塑料不能導電”的傳統認知。該發(fā)現不但掀起了導電聚合物和其他光電分子材料的研究熱潮，還催生了有機發(fā)光二極管（OLED）等電子產(chǎn)業(yè)，讓光彩奪目的顯示屏走進(jìn)了我們的日常生活。
PMHJ結構的設計思想與飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜表征結果
能發(fā)電的塑料
導電聚合物不但具有和傳統塑料類(lèi)似的柔性、易加工性和低成本等特點(diǎn)，還可以通過(guò)分子設計和化學(xué)摻雜攜帶電荷，從而表現出導電性。
更為神奇的是，很多導電聚合物可以作為熱電材料。也就是說(shuō)，當在聚合物薄膜上施加溫度差時(shí)，材料兩端就會(huì )產(chǎn)生電動(dòng)勢（塞貝克效應），而當在材料兩端構建導電回路并施加電壓時(shí)，導電塑料薄膜的兩端也會(huì )產(chǎn)生溫度差（帕爾貼效應）。
基于這些現象，人們就可以利用輕質(zhì)與柔軟的塑料來(lái)實(shí)現溫差發(fā)電，發(fā)展貼附式和可穿戴的綠色能源，也有望將其編織成塑料纖維，變成可以控制溫度的服裝，該領(lǐng)域的研究成為材料科學(xué)的前沿熱點(diǎn)和最具挑戰的方向之一。
高性能熱電材料應具備高塞貝克系數、高電導率和低熱導率，而理想的模型就是“聲子玻璃-電子晶體”模型。具體來(lái)說(shuō)，材料需要像玻璃一樣阻擋熱量（聲子）傳導，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(wú)阻”。
科學(xué)界普遍認為，聚合物具有聲子玻璃特征，從而具有本征低熱導率。而實(shí)際上，很多高電導聚合物薄膜具有有序分子排列的結晶區，和理想的“聲子玻璃”有很大差異，直接制約了聚合物熱電性能的提高。
02
大幅提升性能
在過(guò)去十余年中，人們利用分子創(chuàng )制、組裝和摻雜調控聚合物薄膜的塞貝克系數、電導率及其制約關(guān)系，但其熱電優(yōu)值一直停留在0.5附近，遠低于商品化無(wú)機熱電材料的性能，這一性能困境直接制約了塑料基熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展。
中國科學(xué)院化學(xué)研究所朱道本/狄重安研究團隊、北京航空航天大學(xué)趙立東課題組及國內外其他七個(gè)研究團隊合作，提出并構建了聚合物多周期異質(zhì)結（PMHJ）熱電材料。具體而言，就是利用兩種不同的聚合物構建周期有序的納米結構，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，并且界面層內部呈現體相混合的特征。
這一納米限域的結構不但可以保證有效的電荷傳輸，同時(shí)可以高效散射聲子與類(lèi)聲子傳播。也就是說(shuō)，PMHJ薄膜相對普通聚合物薄膜更接近“聲子玻璃-電子晶體”模型，有望大幅提升材料的熱電性能，為高性能塑料基熱電材料的研究提供了全新思路。
研究團隊利用中國科學(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，結合分子交聯(lián)方法，構筑了具有不同結構特征的PMHJ薄膜。團隊通過(guò)系統實(shí)驗及與清華大學(xué)王冬課題組的理論合作研究，揭示了其熱導率的尺寸效應和界面漫反射效應。
當單層厚度接近共軛骨架的“聲子”平均自由程時(shí)，界面散射明顯增強，薄膜的晶格熱導率降低70%以上。當兩種聚合物及其界面層厚度分別為6.3±0.5、4.2±0.4和3.9±0.4納米時(shí)，氯化鐵摻雜的PMHJ薄膜展現出優(yōu)異的電輸運性質(zhì)，368K下的熱電優(yōu)值（ZT）為1.28，達到商品化材料的室溫區熱電性能水平，直接帶動(dòng)塑料基熱電材料步入ZT>1.0時(shí)代。此外，PMHJ結構具有優(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用潛力。
上述研究打破了現有高性能聚合物熱電材料不依賴(lài)熱輸運調控的認知局限，為塑料基熱電材料領(lǐng)域的持續發(fā)展提供了新路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07724-2）。
信息來(lái)源：中國科學(xué)院化學(xué)研究所
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