记者日前从中国科学院化学研究所获悉,由朱道本院士、狄重安研究员领衔的科研团队联合国内相关单位,成功研制出具有不规则多级孔结构的塑料热电薄膜。
该材料热电优值突破1.64,创下同温区柔性热电材料性能的世界最高纪录,为我国在新能源材料领域赢得重要话语权。
热电材料能够实现热能与电能的直接转换,依托塞贝克效应和帕尔贴效应两种基本物理原理,可在无需燃料、无噪音条件下完成发电与制冷过程。
这类材料在节能减排、绿色能源开发等领域具有战略价值。
其中,柔性热电材料因具备可弯折、可贴附特性,能够适配人体曲面及各类不规则表面,在回收利用低品位废热方面展现出独特优势。
然而,聚合物热电材料长期面临技术瓶颈。
材料需要同时具备高电导率以保证电子传输效率,又要维持低热导率以形成有效温差,两者往往相互制约。
这一矛盾导致聚合物热电材料的性能指标远低于传统无机材料,严重制约其实用化进程。
国际学术界将热电优值作为衡量材料性能的核心指标,数值越高代表转换效率越优,而聚合物材料该指标长期徘徊在较低水平。
面对这一世界性难题,研究团队创新性地提出"多孔无序-狭道有序"双重结构设计理念。
该结构在宏观层面呈现海绵状无序孔洞分布,孔洞大小、形状各异,有效阻断热量传递路径;在纳米尺度上,孔隙内部形成高度有序的聚合物分子排列,为电子传输提供畅通通道。
这种精巧设计实现了电输运与热输运的解耦,在降低热导率的同时保持高电导率,成功破解了制约聚合物热电材料发展的核心矛盾。
在制备工艺方面,团队采用聚合物相分离方法,该技术兼容喷涂等工业化生产工艺,可实现材料一次成型,相比传统制备方法大幅降低技术门槛和生产成本。
这为材料的规模化应用奠定了基础。
此次突破使聚合物热电材料热电优值首次跨越1.5这一关键节点,达到1.64的历史新高。
业内专家认为,这一成果不仅刷新了柔性热电材料的性能纪录,更重要的是验证了通过结构设计优化材料性能的技术路线,为后续研究指明了方向。
该技术的应用前景十分广阔。
在可穿戴设备领域,利用人体与环境5至10摄氏度的温差,材料即可产生可观电能,智能手表、健康监测设备等可实现自供电运行。
在热管理领域,轻薄贴片可直接贴附于皮肤表面,通过帕尔贴效应实现局部制冷,为个人热舒适管理提供新方案。
此外,材料还可织入织物形成柔性电源,或为物联网传感器节点提供持续能量供应,其柔性特点使其能够贴附于管道、设备等各类曲面,极大拓展了应用场景。
从产业角度看,该技术的低成本制备优势符合大规模应用需求。
在物联网时代,海量传感器节点需要可靠的能源供应,传统电池更换维护成本高昂,而热电材料可利用环境废热实现能量自给,具有显著经济价值。
在全球能源转型与碳减排的大背景下，这项突破性研究为低品位废热的回收利用开辟了新路径。
未来，随着技术的进一步完善与产业化推进，普通的塑料薄膜或将变身为微型发电站，让无处不在的环境废热成为触手可及的清洁能源。
这不仅彰显了我国在新材料领域的创新能力，更为构建绿色低碳的能源体系提供了中国方案。