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  隨著柔性和可穿戴電子產品的快速發展，開發高效環保的自供能電源將進一步滿足其日益多樣化的需求。熱能作為一種廣泛存在的可持續能源尚未被有效利用和收集。其中，人體始終保持約 36 ?C 的表面溫度，其與外界環境的溫差將形成有效的熱能供給源。熱電器件（TEG）利用Seebeck效應可以實現熱能和電能之間的直接轉換，是一種極具潛力的長效穩定的電源。然而，當前基于有機/無機復合熱電材料（尤其是薄膜材料）的TEG通常被組裝成可利用面內溫差的平面型結構（in-plane TEG），其溫度梯度平行于TEG器件襯底的方向，這種平面型的TEG很難滿足高效散熱的要求，而且難以實現大面積熱源的有效利用。相比之下，垂直型TEG（cross-plane TEG，溫度梯度垂直于器件平面）可以方便利用大面積熱源，并優化熱傳輸效率。此外， TEG在實際應用中通常還會承受外部應力（拉伸、壓縮、彎曲等），尤其作為可穿戴器件，應具有匹配適應人體運動的柔性和可拉伸性。因此，選擇具有優異、穩定熱電性能的熱電材料并將其合理設計成柔性器件，有望促進其在自供能可穿戴應用的發展。

  鑒于此，澳門大學應用物理及材料工程研究院孫國星副教授、深圳大學材料學院陳光明特聘教授、劉卓鑫助理教授設計了一種基于PEDOT-Tos/Te/SWCNTs三元納米復合材料柔性薄膜的具有可壓縮、可拉伸、可穿戴特性的螺旋形結構熱電器件。相關工作以“Initiating a stretchable, compressible and wearable thermoelectric generator by a spiral architecture with ternary nanocomposites for efficient heat harvesting”為題于近期發表在《Advanced Functional Materials》上。

文章亮點：

  1. 構筑具有獨特層狀結構的聚(3,4-乙烯二氧基噻吩)-tosylate/Te/單壁碳納米管(PEDOT-Tos/Te/SWCNTs)三元納米復合柔性薄膜，其最佳功率因子為131.9±8.5 μW m^-1 K^-2，約為純PEDOT-Tos的120倍，并在一定的彎曲形變下表現出穩定的熱電化學性能，具有較好的穩定性。

PEDOT-Tos/Te/SWCNTs三元復合柔性薄膜的制備及柔性表征

PEDOT-Tos/Te/SWCNTs三元復合柔性薄膜的熱電性能

  2. 基于該三元納米復合薄膜較高的機械柔性和熱電性能，開發設計了一種三維螺旋型TEG，該螺旋型TEG既具有可拉伸、可壓縮、可彎曲的特性，同時還可以利用垂直溫差實現有效的熱電轉換。此外，該器件經過多次拉伸和壓縮循環后，還能提供穩定的能量輸出，在實際應用方面具有潛在的應用價值。

  3. 基于熱電腿的類型（p-type leg, n-type leg）和數量（5p，10p，5pn），以及器件兩端施加的溫差（0-100 K）的不同，詳細分析了三種TEGs（TEG-5p, TEG-10p, TEG-5pn）的輸出性能。結果表明，TEG-5pn 具有較高的輸出性能，溫差為60 K和100 K時其功率密度分別為461.33 μW cm^-2 和 1422.22 μW cm^-2.

  4. 該螺旋型TEG不僅可以穿戴于手腕上收集人體熱量，還可以固定于燒杯上利用其中熱水或液氮與外界的溫差發電。該結構設計用途廣泛，為熱電復合材料在柔性電子和可穿戴應用上提供了可行的借鑒思路。

TEG-5p和TEG-10p的熱電輸出性能

TEG-5pn的熱電輸出性能及其穩定性表征，三種TEGs的性能比較，及其實際應用探索

  該論文的第一作者為澳門大學應用物理及材料工程研究院博士生梁麗榮，通訊作者為孫國星副教授，共同通訊作者為深圳大學陳光明特聘教授、劉卓鑫助理教授。相關研究得到了由深圳市基礎研究項目（No. JCYJ20200109105604088）、國家自然科學基金（No. 51973122）、國家自然科學基金優秀青年科學基金項目（港澳）（No.5212290021）、深港澳科技計劃(c)（No. SGDX2020110309360）以及廣東省高校優秀青年創新人才項目（No. 2020KQNCX061）的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202111435