高性能有機熱電材料研究取得重要進展

發布時間：2024-07-25 11:30 原文鏈接：高性能有機熱電材料研究取得重要進展

　　20世紀70年代，摻雜聚乙炔的科學發現顛覆了“塑料不能導電”的傳統認知，掀起了光電分子材料的研究熱潮，孕育了有機發光二極管電子產業，催生了有機光伏和有機場效應晶體管等前沿研究方向，并帶動了有機熱電領域的起步。其中，聚合物體系的熱電研究不但可以深化甚至改變人們對軟物質體系熱電轉換機制的認知，而且有望滿足物聯網與可穿戴電子對貼附式能源的迫切需求，具有重要的科學意義。然而，相對于已有的熱電材料體系，聚合物熱電材料長期面臨熱電優值（ZT）低的瓶頸，無法滿足溫差發電與固態制冷應用的核心指標需求，直接制約了領域的快速發展。

　　中國科學院化學研究所朱道本、狄重安研究團隊與張德清課題組，聯合北京航空航天大學趙立東課題組以及國內外的研究團隊，提出并構建了聚合物多周期異質結（PMHJ）熱電材料。該類型分子組裝體具有周期有序的納米結構，其中兩種聚合物厚度均小于10納米，相鄰界面約為2個分子層且具有體相異質特征。優化后的PMHJ薄膜可以保持優異的電荷輸運特性，并大幅抑制聲子/類聲子傳播，從而實現了聚合物熱電性能的大幅提升，為高性能塑料基熱電材料的研究和應用提供了全新路徑。相關研究成果發表在《自然》（Nature）上。

　　理想熱電材料應具有高塞貝克系數、高電導率和低熱導率，滿足“聲子玻璃-電子晶體”模型。科學界普遍認為，聚合物具備聲子玻璃特征，從而具有本征低熱導率。基于此，高性能有機熱電材料的現有主要研究路徑是通過分子創制、組裝和摻雜調控塞貝克系數、電導率及制約關系。盡管有研究通過熱導率表征評估了有機材料的熱電優值，但缺乏熱輸運性質的調控策略，相應體系的熱電優值在過去十余年沒有顯著提升。該團隊利用PDPPSe-12和PBTTT兩種聚合物，結合分子交聯方法，構筑了具有不同結構特征的PMHJ薄膜，揭示了其熱導率的尺寸效應和界面漫反射效應。研究發現，當每種聚合物的厚度接近共軛骨架的“聲子”平均自由程時，界面散射明顯增強，薄膜的晶格熱導率降低70%以上，達到0.1 W m-1 K-1。同時，摻雜態（6,4,4）PMHJ薄膜展現出優異的電輸運性質，功率因子高達628 μW m-1 K-2，368 K下的熱電優值為1.28，達到商品化材料的室溫區熱電性能水平，帶動塑料基熱電材料步入ZT>1.0時代。同時，PMHJ結構具有優異的普適性，且PMHJ加工方式與溶液法制備技術兼容，在柔性供能器件方面具有應用潛力。

　　上述成果打破了現有高性能聚合物熱電材料不依賴熱輸運調控的認知局限，為塑料基熱電材料領域的持續發展提供了新路徑。

　　研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院、北京市的資助，并獲得化學所懷柔研究中心的技術支持。