点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:我国科学家在高性能聚合物热电材料研制方面取得重要进展
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

我国科学家在高性能聚合物热电材料研制方面取得重要进展

来源:光明网2024-07-25 20:24

 光明网讯 7月25日,记者从中国科学院化学研究所获悉,来自该所等单位的科研人员研发出新型高性能聚合物热电材料——PMHJ薄膜,有望大幅提升材料的热电性能,为高性能塑料基热电材料研究提供了全新思路。相关研究成果在线发表于《自然》杂志。

  碳元素可以与氢、氧、氮、磷、硫等元素形成化学键,从而构建出各种有机分子,这些分子单体通过周期性的键合可以形成高分子量的聚合物。目前,人工合成的聚合物,尤其是塑料,已经成为人们日常生活和高科技领域无处不在且不可缺少的材料体系。传统的聚合物为绝缘体,而在上世纪70年代,美国科学家艾伦·黑格、艾伦·马克迪尔米德和日本科学家白川英树发现碘掺杂的聚乙炔具备导电能力,彻底颠覆了“塑料不能导电”的传统认知,获得2000年诺贝尔化学奖。这一重要科学发现不但掀起了导电聚合物和其它光电分子材料的研究热潮,还催生了有机发光二极管(OLED)等电子产业,让光彩夺目的显示屏走进了我们的日常生活。

  导电聚合物不但具有和传统塑料类似的柔性、易加工性和低成本等特点,还可以通过分子设计和化学掺杂携带电荷,从而表现出导电性。更为神奇的是,很多导电聚合物可以作为热电材料。也就是说,当在聚合物薄膜上施加温度差时,材料两端就会产生电动势(塞贝克效应);而当在材料两端构建导电回路并施加电压时,导电塑料薄膜的两端也会产生温度差(帕尔贴效应)。基于这些现象,人们就可以利用轻质与柔软的塑料来实现温差发电,发展贴附式和可穿戴的绿色能源;也有望将其编织成塑料纤维,变成可以控制温度的服装。这些功能的实现都需要发展高性能的聚合物热电材料,该领域的研究成为材料科学的前沿热点和最具挑战的方向之一。

  高性能热电材料应具备高塞贝克系数、高电导率和低热导率,而理想的模型就是“声子玻璃-电子晶体”模型。具体来说,材料需要像玻璃一样阻挡热量(声子)传导,但又像晶体一样允许电荷自由移动,也就是让声子“寸步难行”而让电荷“畅通无阻”。科学界普遍认为,聚合物具有声子玻璃特征,从而具有本征低热导率。而实际上,很多高电导聚合物薄膜具有有序分子排列的结晶区,和理想的“声子玻璃”有很大差异,直接制约了聚合物热电性能的提高。而在过去十余年中,人们利用分子创制、组装和掺杂调控聚合物薄膜的塞贝克系数、电导率及其制约关系,但其热电优值一直停留在0.5附近,远低于商品化无机热电材料的性能,这一性能困境直接制约了塑料基热电材料领域的发展。

  中国科学院化学研究所朱道本/狄重安研究团队、北京航空航天大学赵立东课题组及国内外其他七个研究团队合作,提出并构建了聚合物多周期异质结(PMHJ)热电材料。具体而言,就是利用两种不同的聚合物构建周期有序的纳米结构,其中每种聚合物的厚度均小于10纳米,两种材料的界面约为2个分子层的厚度,并且界面层内部呈现体相混合的特征。这一纳米限域的结构不但可以保证有效的电荷传输,同时可以高效散射声子与类声子传播。也就是说,PMHJ薄膜相对普通聚合物薄膜更接近“声子玻璃-电子晶体”模型,有望大幅提升材料的热电性能,从而为高性能塑料基热电材料的研究提供了全新思路。

我国科学家在高性能聚合物热电材料研制方面取得重要进展

  高性能塑料基热电材料结构示意图。(中国科学院化学研究所供图)

  研究团队利用中国科学院化学研究所张德清课题组和英国牛津大学Iain McCulloch课题组发展的PDPPSe-12和PBTTT两种聚合物,以及韩国蔚山科学技术院BongSoo Kim课题组发展的交联剂,结合分子交联方法,构筑了具有不同结构特征的PMHJ薄膜。通过系统实验及与清华大学王冬课题组的理论合作研究,揭示了其热导率的尺寸效应和界面漫反射效应。当单层厚度接近共轭骨架的“声子”平均自由程时,界面散射明显增强,薄膜的晶格热导率降低70%以上。当两种聚合物及其界面层厚度分别为6.30.5、4.20.4和3.90.4纳米时,氯化铁掺杂的PMHJ薄膜展现出优异的电输运性质,368 K下的热电优值(ZT)为1.28,达到商品化材料的室温区热电性能水平,直接带动塑料基热电材料步入ZT>1.0时代。此外,PMHJ结构具有优异的普适性,其加工方式与溶液法制备技术兼容,在柔性供能器件方面具有重要应用潜力。

  上述研究打破了现有高性能聚合物热电材料不依赖热输运调控的认知局限,为塑料基热电材料领域的持续突破提供了新路径。

  “用体温为手机充电,让篝火成为野营的电力之源……”,这些都是人们对未来绿色能源的美好愿景。也许在不久的将来,“热电塑料”和“温差”的邂逅能够产生各种“触手可及”的清洁能源,实现所有的奇思妙想。(宋雅娟)

 

[ 责编:肖春芳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 习近平同巴西总统卢拉共同签署联合声明

  • 习近平同巴西总统卢拉共见记者

独家策划

推荐阅读
记者20日从中国航天科技集团一院获悉,该院抓总研制的长征十号系列火箭近日成功完成整流罩分离试验,标志着该系列火箭初样研制又迈出了坚实一步。
2024-11-21 09:14
作为战略性新兴产业,低空经济产业链条长,涵盖航空器研发与制造、低空飞行基础设施建设与运营、飞行服务与保障等产业,对构建现代产业体系具有重要作用。
2024-11-21 09:12
工业革命改变了世界面貌,为人类生产生活带来深远影响。当今世界,人工智能迅猛发展,推动人类社会深度变革。在此过程中,电力行业也在逐步向数字化和智能化转型。
2024-11-21 09:10
数据显示,2023年我国低空经济规模超5000亿元,增速超过33%,2030年有望达到2万亿元。2024年以来,全国已有超过26个省(区、市)将低空经济写进政府工作报告。
2024-11-21 09:09
日前,国际学术期刊《自然·通讯》在线刊发江西省农业科学院原院长颜龙安院士团队联合河北大学杜会龙教授团队的研究成果:首个稻属最全超级泛基因组图谱绘制成功。
2024-11-21 09:09
全海深光电缆绞车系统“海威GD11000”,日前随广州海洋地质调查局“海洋地质二号”船在我国南海完成了首个航次的深海调查任务。
2024-11-20 09:21
近日,中国科学院兰州化学物理研究所研究员何林团队与武汉大学教授雷爱文团队合作,在催化羰基化领域取得重要进展——成功利用一氧化碳或二氧化碳替代剧毒光气,高效合成含氮羰基化合物非对称脲。。
2024-11-20 09:24
这种菌能够迅速分解番茄、辣椒、娃娃菜等多种蔬菜尾菜,并具有促进作物生长、拮抗土传病原菌等功能特性。在此基础上,课题组进一步研发了“蔬菜尾菜+快速腐解菌+有机肥+功能菌”四位一体的原位还田技术。
2024-11-20 09:20
11月18日,在沪渝蓉高铁全线控制性咽喉工程崇太长江隧道内,我国盾构隧道智能建造V2.0技术体系正式在“领航号”盾构机成功应用
2024-11-20 09:19
19日,四川、重庆、贵州三省市同步首发动力型锂电池试运专列,这是我国铁路首次大规模试运输动力锂电池,将助力国产动力锂电池产品的全球流通。
2024-11-20 09:13
近年来,北京市延庆区大力发展低空经济,2023年相关产业产值达23.3亿元。天气渐冷,北京八达岭长城脚下,中关村延庆园内的低空经济产业园依旧热火朝天,一派繁忙景象。
2024-11-19 09:50
据最新一期《自然·化学》杂志报道,美国加州大学圣迭戈分校团队在最新研究中给出了一个涉及两种简单分子间反应的精妙解释。
2024-11-19 09:47
利用样地观测数据、空间分析和树线模型模拟,中国科学院青藏高原研究所研究员梁尔源等人系统分析了尼泊尔珠峰国家公园和安纳普纳保护区混交林树线,揭示了糙皮桦和喜马拉雅冷杉的种群更新动态和树线位置变化。
2024-11-19 09:46
机器人服务员、咖啡师、宠物……各种机器人让人目不暇接。自动载人飞行器,无人机、无人车、无人船……智能驾驶技术遍布“海陆空”。11月14日至16日,第二十六届中国国际高新技术成果交易会在广东深圳举行。
2024-11-19 04:55
近日,记者从湖北省神农架林区林业管理局野保科开展的陆生野生脊椎类动物普查中获悉,神农架现有陆生野生脊椎类动物710种,比原来的493种增加217种。
2024-11-19 05:00
北京时间11月15日23时13分,天舟八号货运飞船在文昌航天发射场由长征七号遥九运载火箭成功发射。自中国空间站建造以来,空间应用系统已在轨开展了百余项科学实验和应用试验,阶段性研究成果持续产出。
2024-11-18 10:27
中国科学院生物物理研究所王晓群研究员课题组、广东省智能科学与技术研究院张旭院士课题组和北京师范大学吴倩教授课题组合作,深入解析了人类背根神经节(DRG)发育过程中调控多种感觉神经元分化的多层级信号通路,并成功构建了人类DRG类器官(hDRGOs)模型。通过比较人类和小鼠的感觉神经元发育,研究人员发现两者在发育进程、基因表达谱和细胞亚型上存在差异。
2024-11-18 10:24
党的二十届三中全会提出,发展通用航空和低空经济。航空航天民航高校应发挥特色优势,形成“航空+”的多元化低空经济专业型人才培养模式,促进低空经济科技链、人才链、产业链的有机衔接。
2024-11-18 10:21
中北大学极端环境特种传感与测试创新研究团队成员正在围绕近期发射任务进行产品研发。日前,第28届“中国青年五四奖章”评选揭晓,中北大学极端环境特种传感与测试创新研究团队获“中国青年五四奖章集体”荣誉称号。
2024-11-18 10:16
据中国载人航天工程办公室消息,天舟七号货运飞船已于11月17日21时25分受控再入大气层。 天舟七号货运飞船于2024年1月17日在文昌航天发射场发射入轨,装载了航天员在轨驻留消耗品、推进剂、应用实(试)验装置等物资。
2024-11-18 10:14
加载更多