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

  • 2025中医医院传承创新发展大会在北京开幕

  • “玉见文明:良渚文化特展”亮相上海

独家策划

推荐阅读
新华社北京12月12日电 由中央网信办主办的2025中国正能量网络精品征集展播活动12日启动。
2025-12-12 13:08
记者11日从中国科学院微小卫星创新研究院(以下简称“卫星创新院”)获悉,轻舟货运飞船初样件已完成多项关键技术验证,进入整体测试阶段。
2025-12-12 09:55
近日,中国石油大庆古龙陆相页岩油国家级示范区年产量突破100万吨,实现页岩油规模化效益开采。
2025-12-12 09:50
2026年1月1日起,我国将禁止生产含汞体温计和含汞血压计。
2025-12-12 09:48
11日,中国科学院紫金山天文台“银河画卷”(MWISP)巡天计划(以下简称“巡天计划”)正式向全球公开首批毫米波分子谱线观测数据。
2025-12-12 09:47
截至12月9日24时,哈密—重庆±800千伏特高压直流输电工程(以下简称“疆电入渝”工程)自今年6月10日投运以来,累计外送电量已达101.2亿千瓦时。
2025-12-12 09:45
加快培育壮大数据产业,以区域协同数智化发展带动数据产业集群、数字产业集群做大做强。以兼顾标准互认、质量保障和安全可信的制度体系,护航数据产品服务流通交易、变现增值。数字经济具有数据资源依赖度高、技术知识人才密集、高融合渗透性及行业覆盖面广等特点。
2025-12-11 10:16
光明日报西宁12月10日电 记者万玛加、王雯静日前从国网青海省电力公司获悉,青海电力交易中心与北京电力交易中心、吉林电力交易中心“三网”联动,共同达成跨省跨区中长期外送电力交易,交易电量自12月8日起执行至31日止,累计交易电量1876万千瓦时。
2025-12-11 10:15
2020年12月,科技部在苏州高新区等13家国家高新区启动首批试点,探索实施“创新积分制”,对企业创新能力进行量化评价,引导金融机构精准支持科技创新。联动实施“创新积分制”和科技创新专项担保计划,累计向21家银行推荐超过17万家科技型中小企业,签订贷款合同超2900亿元……
2025-12-11 10:15
2025年12月10日12时03分,中科宇航力箭一号遥十一运载火箭在东风商业航天创新试验区发射,将9颗卫星精准送入预定轨道,发射任务取得圆满成功。此次发射的卫星中,阿联酋813卫星是由上海微小卫星工程中心承研的高光谱地球观测卫星,搭载高光谱相机、全色相机及大气偏振校正仪等主载荷。
2025-12-11 10:05
12月9日,记者从中国科协获悉,中国科协生命科学学会联合体(以下简称“联合体”)发布了2025年度“中国生命科学十大进展”,6个知识创新类和4个技术创新类项目成果入选。
2025-12-11 10:02
“向精准要价值”,是一场从技术导向到需求导向的深刻转型。
2025-12-10 14:00
近十几年来,罗二仓团队聚焦采用环保工质,如氦气、氩气、氮气等绿色工质的热声斯特林技术,研发具有广阔应用前景的新一代热泵技术。
2025-12-10 09:39
中国科学院生物物理研究所徐涛院士课题组与纪伟研究员课题组研制出三维干涉定位显微镜(ROSE-3D),首次在单分子定位成像领域,实现了基于相机的纳米尺度三维各向同性分辨率。
2025-12-10 09:38
“细胞壁是质膜外具有一定硬度和弹性的细胞结构,广泛存在于植物、细菌和真菌中。随着研究逐渐深入,团队发现,在植物茎顶端干细胞区域,细胞壁的主要成分果胶呈现独特的“二元分布”模式。
2025-12-10 09:37
指令长张陆时隔两年半再度漫步太空,航天员武飞成为我国目前执行出舱任务最年轻的航天员。
2025-12-10 09:35
我国首个国家级陆相页岩油示范区——新疆吉木萨尔国家级陆相页岩油示范区9日完成年度170万吨原油生产任务,这一成果标志着国家级示范工程建设任务全面完成。
2025-12-10 09:34
一些不法商家钻监管漏洞,推出所谓“智驾神器”规避车辆安全监控,不仅严重威胁道路交通安全,更触碰了法律红线,扰乱了新能源汽车产业的健康发展秩序。
2025-12-09 10:11
一项新研究揭示了这些天体表面下可能发生的活动,为了解其多样地质特征的形成机制提供了线索。相关研究成果近日发表于《自然-天文学》。
2025-12-09 10:02
实验结果显示,将化合物注射给抑郁模型小鼠后,仅1小时便可观察到显著的抗抑郁效果,且无明显副作用。
2025-12-09 10:01
加载更多