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武漢紡織大學王棟教授團隊 AFM：具有協同增強機械及熱電性能的有機/無機雜化離子凝膠纖維

2024-09-28 來源：高分子科技

可穿戴設備的快速發展促進了纖維材料在電子設備中的應用。作為人們日常生活不可缺少的基礎材料，纖維被認為是制備可穿戴電子產品的理想載體。利用纖維制成的電子器件除了具有重量輕、柔軟、順應、佩戴舒適等優點外，還可以通過編織技術構建多種結構，為其多場景應用和大規模制備提供了可能。其中，能夠收集人體廢熱并將其轉化為電能的纖維基熱電（TE）設備受到廣泛關注，對可持續發展具有重要意義。與電子熱電材料相比，離子熱電材料（i-TE）具有較高的熱電壓，近年來發展迅速。其中，由離子液體（IL）和固態網絡組成的準固態離子凝膠具有高柔韌、非揮發、熱穩定和化學穩定等優點，受到越來越多的關注。然而，構筑具有協同增強的機械和熱電性能的離子凝膠纖維仍然存在很大挑戰。針對上述問題，武漢紡織大學紡織纖維及制品教育部重點實驗室王棟、李沐芳教授提出了一種反溶劑-摻雜-雜化協同策略來調節離子凝膠的固態網絡結構及離子遷移率，大幅提高了熱電及機械性能，并基于此構筑了可穿戴的i-TE器件，為可穿戴供能設備的開發提供新思路。該工作以“Organic/Inorganic Hybrid Ionogel Fiber with Synergistically Enhanced Mechanical and Ionic Thermoelectric Performances”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。

圖1 PH/ED-E-Na-SiO₂雜化離子凝膠的結構示意圖和性能增強機制。

圖2 SiO₂濃度及濕度對 PH/ED-E-Na-SiO₂離子凝膠電導率、塞貝克系數、功率因數的影響

PVDF-HFP/EMIM:DCA/NaTFSI/SiO₂（PH/ED-E-Na-SiO₂）雜化離子凝膠的結構示意圖和性能增強機制如圖1所示。乙醇為PVDF-HFP溶液的反溶劑，它的添加可以促使分子鏈在溶液中收縮并減小晶粒尺寸，從而降低PVDF-HFP的結晶度。較低的結晶度有利于促進離子遷移并提高離子電導率。NaTFSI摻雜會增加陽離子和陰離子之間的擴散差，這是因為Na⁺與DCA^-之間存在較強的庫侖吸引力，從而降低DCA^-的遷移率，增加陰陽離子的擴散差，提高離子塞貝克系數。此外，SiO₂納米顆粒的添加可形成有機-無機雜化網絡，其對離子凝膠性能的影響如下：一方面，SiO₂和PVDF-HFP分子鏈之間的氫鍵作用可顯著提高離子凝膠的機械性能及熱穩定性；同時，SiO₂的加入會導致PVDF-HFP的結晶度進一步下降，從而增加離子電導率；第三，SiO₂納米顆粒和DCA^-之間的相互作用可進一步促進陰陽離子的解離、遷移和擴散差異，從而顯著增強離子電導率和塞貝克系數。因此，利用此策略構筑的PH/ED-E-Na-SiO₂雜化電離凝膠表現出協同增強的機械性能及熱電性能。在90%相對濕度下，PH/ED-E-Na-SiO₂離子凝膠的離子塞貝克系數為47.5 mV K^-1，離子電導率為43.7 mS cm^-1，相應的功率因數高達9845.8 μW m^-1 K^-2（圖2）。

圖3 PH/ED-E-Na-SiO₂離子凝膠纖維的結構、性能及工作機制

圖4 PH/ED-E-Na-SiO₂離子凝膠纖維基i-TE器件的結構及性能

基于此，通過涂層技術制備了PH/ED-E-Na-SiO₂離子凝膠纖維（圖3）。與離子凝膠薄膜相比，離子凝膠纖維表現出同樣優異的離子熱電性能，且拉伸強度和應變顯著提高至17.7 MPa和70%。利用此離子凝膠纖維，通過編織技術制備的可穿戴i-TE器件表現出優異的穿戴舒適性和穩定性（圖4）。將此i-TE器件佩戴在手臂上，利用人體與環境的溫差（?T=2.6 K）可產生284 mV的熱電壓，并通過電路設計成功點亮了LED燈泡，展示了其作為可穿戴供能設備的潛在應用價值。

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202415856

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（責任編輯：xu）

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