Nano Energy：具有徑向異質結夾層的高集成纖維狀熱電器件

一、【導讀】

具有可編織、輕質、柔性等特點的纖維狀熱電器件在人體熱能收集方面展現了巨大的潛力。為了提高器件的熱電轉化能力，研究人員傾向于構筑高密度的熱電對，但是這在纖維狀熱電器件中仍是一項挑戰。目前，大多數工作是沿纖維長軸方向進行熱電對的設計，其空間利用率有待提高。

二、【成果掠影】

東華大學先進功能材料課題組提出一種卷繞成型的纖維狀熱電器件加工策略，在器件的軸向和徑向同時實現了高密度熱電對的集成。成果以“Highly integrated fiber-shaped thermoelectric generators with radially?heterogeneous interlayers”為題在Nano Energy上發表。東華大學為論文完成單位，材料科學與工程學院博士生王錕為第一作者，侯成義研究員、李耀剛教授為通訊作者。

三、【數據概覽】

纖維狀熱電模塊由熱電功能層和絕緣層雙層膜沿長軸方向卷繞制備（圖1）。熱電層中的碳納米管（CNT）p-n對結構可通過激光雕刻和模板噴涂法實現，醋酸纖維素（CA）納米纖維膜具有極佳的柔性，在卷繞形成的徑向異質結構中作為絕緣夾層和柔性載體。卷繞成型的熱電模塊具有較小的直徑（~1.3 mm），單位質量僅為7 mg/cm。

圖1 CNT/CA卷繞熱電模塊的設計及制備

對不同長度（L）和熱電對數量的卷繞模塊輸出性能進行了對比（圖2）。熱流方向沿模塊長軸方向，在模塊L=2 cm且含有8個熱電對時，模塊的開路電壓密度可達65.4 mV/cm²（ΔT約為41 K）。同時，卷繞模塊具有良好的力電穩定性，2?cm的卷繞模塊在彎折130次后（彎折角度為90°），器件內阻的變化小于1.3%。

圖2 單個CNT/CA卷繞模塊的熱電輸出性能及柔性表征

此外，進一步對多組互聯的CNT/CA雙層膜進行卷繞加工，實現了多組串聯纖維狀熱電器件的一體化成型（圖3）。與傳統結構纖維狀熱電器件相比，本工作報道的軸向/徑向雙效高集成器件的單位長度輸出電壓具有顯著的優勢。將該纖維狀器件織入普通織物，可實現人體表面熱能的收集以及溫度監測。

圖3 纖維狀熱電器件（4個卷繞模塊串聯）的輸出性能及與織物集成

四、【團隊概況】

近年來，研究團隊在用于人體的濕熱管理（Adv. Mater.?2021, 33, 2007352. ACS Nano?2022, 16,?2188. ACS Appl. Mater. Interfaces?2019, 11, 44673.）、體域能源（Adv. Mater.?2021, 33, 2100782. Nat. Commun.?2019, 10, 5541. Nat. Commun.?2019, 10, 868. Adv. Funct. Mater.?2020, 30, 2002508. Adv. Funct. Mater.?2019, 29, 1900304. Nano Energy,?2022,?95, 107055.）、人機交互（Adv. Mater.?2021, 33, 2104681. Biosens. Bioelectron.?2021, 174, 112828. Chem. Eng. J.?2022, 431, 134012. Chem. Eng. J.?2022, 427, 130886.）等方向取得了系列進展，研究工作得到國家青年人才計劃、國家自然科學基金、上海市啟明星計劃、上海市青年拔尖人才計劃、東華大學勵志計劃等基金的資助。團隊長期歡迎材料、信息、紡織、服裝等領域的博士后、博士研究生、碩士研究生加入！

本文由作者供稿。