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南郵謝燕楠教授團(tuán)隊 Nano Energy:用于低品位熱能收集的高拉伸和高塞貝克系數(shù)的碲納米線摻雜熱電水凝膠
2023-08-01  來源:高分子科技

  熱電材料因其能直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能,具有無運(yùn)動部件、無噪音、無溫室氣體排放等一系列優(yōu)點(diǎn),在能量收集、傳感以及可穿戴式電子設(shè)備等應(yīng)用方面有著廣泛的應(yīng)用前景。近年來,傳統(tǒng)的無機(jī)熱電材料已經(jīng)被廣泛研究,但是大部分材料在室溫下塞貝克系數(shù)仍然較低,并且無法適應(yīng)柔性電子設(shè)備的彎曲以及拉伸特性,這極大地限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。而熱電化學(xué)偶作為新興的的液態(tài)熱電材料,具有較大的塞貝克系數(shù),但是熱導(dǎo)和電導(dǎo)仍有待提高,并且在應(yīng)用中存在漏液以及長時間工作帶來的輸出不穩(wěn)定的風(fēng)險。在這種情況下,有必要構(gòu)筑一種具有優(yōu)異拉伸性和高塞貝克系數(shù)的新型熱電水凝膠,以此解決目前可穿戴電子設(shè)備中低品位熱能收集的困境。


  近日,南京郵電大學(xué)有機(jī)電子與信息顯示國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室謝燕楠教授團(tuán)隊制備了一種碲納米線(Te-NWs)摻雜的PEDOT:PSS/聚乙烯醇(TPP)水凝膠。該工作系統(tǒng)地研究了Te-NWs摻雜對TPP水凝膠熱電特性的影響,優(yōu)化后的TPP水凝膠塞貝克系數(shù)為787 mV K-1,導(dǎo)熱系數(shù)為0.468 W m-1 K-1,拉伸應(yīng)變值高達(dá)400%。此外,通過集成多個TPP水凝膠,開發(fā)了一種具有交錯Z型結(jié)構(gòu)的可穿戴熱電模塊,當(dāng)其施加在人體手臂上時,可實(shí)現(xiàn)138 mV的電壓輸出。在與電源管理單元集成后,TPP水凝膠模塊可以驅(qū)動商用計算器和白光LED等小型電子設(shè)備,在人體熱能收集和可穿戴電子產(chǎn)品中顯示出良好的應(yīng)用潛力。


  該成果以“Tellurium-Nanowire-Doped Thermoelectric Hydrogel with High Stretchability and Seebeck Coefficient for Low-Grade Heat Energy Harvesting”為題發(fā)表在國際知名期刊Nano Energy上,本科生孔思濤同學(xué)為論文第一作者,謝燕楠楊文靜李佳慧教授為共同通訊作者。


1. Te-NWsTPP水凝膠的制備與表征。(a) Te-NWs和水凝膠的制備過程(b-c) Te-NWsSEM圖,(d) XRD曲線。(e) TPP水凝膠的SEM圖像,(f) Te 3d(g) S 2pXPS光譜 


2. TPP水凝膠的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性。(a-b)內(nèi)部結(jié)構(gòu),(c)內(nèi)部分子間相互作用,(d)三種類型水凝膠的力學(xué)測試。 


3. 不同Te-NWs摻雜量對水凝膠熱電性能的影響及熱電機(jī)理。(a) TPP水凝膠工作原理示意圖。(b)不同Te-NWs含量(wt.%)TPP水凝膠的塞貝克系數(shù),(c)電導(dǎo)率,(d)導(dǎo)熱系數(shù),(e)電壓電流輸出,(f)功率因數(shù),(g) ZT值。 


4. TEG的熱電特性,TPP水凝膠模塊的結(jié)構(gòu)和熱電系統(tǒng)在電子設(shè)備供電中的演示。(a)結(jié)構(gòu),(b)溫差為30 KTEG的輸出電壓。(c)輸出電壓和電流與對外加溫差的依賴關(guān)系。(d)水凝膠在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。(e)溫差為30 KTEG的電流電壓及輸出功率。(f)S1/k值與文獻(xiàn)報道的比較。(g)水凝膠TEG模塊的構(gòu)建。(h-i)不同連接方式下水凝膠TEG模塊輸出電壓。(j)與電源管理單元的TEG系統(tǒng)的等效電路。(k-1)該系統(tǒng)可以為電子設(shè)備供電,包括(k)電子計算器和(l)白光LED。


  總之,該工作制備了一種具有優(yōu)異機(jī)械性能和熱電性能的碲納米線摻雜的PEDOT:PSS/PVA水凝膠復(fù)合材料。并通過研究了Te-NWs對熱電性能的影響,確定了最佳摻雜量。為了證明TPP水凝膠在熱電器件中的實(shí)際應(yīng)用潛力,制備了基于該水凝膠的熱電性能穩(wěn)定且優(yōu)異的TEG。此外,設(shè)計了多個水凝膠的集成結(jié)構(gòu)來有效利用人體與環(huán)境之間的溫差,使熱電裝置產(chǎn)生高電壓輸出。最后,他們將熱電水凝膠組件與商用熱電模塊和電壓升壓器集成在一起,直接為小型電子設(shè)備供電。這項工作展示了一種利用碲納米線與PEDOT:PSS相結(jié)合來提高塞貝克系數(shù)的新方法。所研制的水凝膠具有機(jī)械性能強(qiáng)、穩(wěn)定性高、塞貝克系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn),在人體可穿戴和植入式電子產(chǎn)品的熱電能量收集方面具有較好的應(yīng)用潛力。


  原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523005451

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