清華新聞網(wǎng)1月29日電 離子熱電轉(zhuǎn)換是以離子為載流子實(shí)現(xiàn)熱能與電能直接轉(zhuǎn)換，具有毫伏級(jí)塞貝克系數(shù)、良好延展性和低成本等優(yōu)勢(shì)。離子熱電的巨塞貝克效應(yīng)為開(kāi)發(fā)高性能熱電器件開(kāi)辟了全新途徑，在星際探測(cè)、自供電系統(tǒng)等航天領(lǐng)域及智能穿戴、柔性電子等民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但基于離子熱擴(kuò)散機(jī)制的熱電轉(zhuǎn)換中，離子只能在電極處聚集而無(wú)法穿過(guò)電極界面，導(dǎo)致離子熱電轉(zhuǎn)換在恒定溫差下無(wú)法對(duì)外循環(huán)連續(xù)供電，極大地限制了離子熱電的實(shí)際應(yīng)用。
圖1：（a）雙性P/N型測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖，（b）采用碳管電極和銅電極測(cè)試數(shù)據(jù)圖，（c）P型和N型塞貝克系數(shù)數(shù)值對(duì)比圖，（d）可循環(huán)離子熱電發(fā)電器件工作原理示意圖，（e）發(fā)電過(guò)程中離子分布圖，（f）可循環(huán)離子熱電發(fā)電器件實(shí)物圖，和（g）發(fā)電器件在恒定溫差下工作數(shù)據(jù)圖。
清華大學(xué)張興教授、馬維剛副教授課題組和香港科技大學(xué)黃寶陵教授課題組合作報(bào)道了一種基于電極可逆調(diào)控離子熱電材料P/N型的離子熱電發(fā)電器件（圖1），該器件可在恒定溫差下循環(huán)連續(xù)發(fā)電。研究人員發(fā)現(xiàn)固態(tài)離子熱電復(fù)合材料（PVDF-HFP/NaTFSI/PC，PNP），采用金屬（銅、金和鉑）作為測(cè)試電極時(shí)展示出P型（塞貝克系數(shù)為+20mV/K），采用碳納米管電極（單壁、多壁和陣列碳管）時(shí)表現(xiàn)為N型（塞貝克系數(shù)為-10.2mV/K），并通過(guò)切換電極實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)控。
基于此，研究人員設(shè)計(jì)了一種新型可循環(huán)連續(xù)發(fā)電的離子熱電發(fā)電器件。該發(fā)電器件始終與熱源接觸且維持恒定溫差，僅通過(guò)切換碳管電極和銅電極，使熱電器件交替呈現(xiàn)P型和N型，從而實(shí)現(xiàn)陰/陽(yáng)離子交替主導(dǎo)熱擴(kuò)散過(guò)程，在恒定溫差下連續(xù)產(chǎn)生電量，并具有高穩(wěn)定性和循環(huán)特性。相比于傳統(tǒng)離子熱電需要不斷開(kāi)啟/關(guān)閉熱源的發(fā)電模式，該研究提出的新離子熱電模式不僅無(wú)需改變發(fā)電器件與熱源之間的熱接觸，并且可以在穩(wěn)定熱源下循環(huán)發(fā)電，極大地推動(dòng)了離子熱電的實(shí)用化進(jìn)程。
圖2：（a）原位拉曼測(cè)試示意圖，陰離子在（b）碳管電極和（c）銅電極界面處的拉曼測(cè)試圖譜，陰離子在碳管和銅電極界面處（d）徑向分布函數(shù)和（e）拉曼峰峰值隨時(shí)間變化圖，（f）陰、陽(yáng)離子與不同電極之間的相互作用力，（g）陰、陽(yáng)離子在不同電極界面分布模擬圖。
僅通過(guò)改變接觸電極而不改變材料本身實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)控塞貝克系數(shù)是離子熱電轉(zhuǎn)換循環(huán)連續(xù)供電的關(guān)鍵一步，與傳統(tǒng)通過(guò)材料改性調(diào)控塞貝克系數(shù)具有本質(zhì)不同，尤其是傳統(tǒng)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)控。研究人員揭示了電極調(diào)控離子熱電材料P/N型的微觀(guān)機(jī)制（圖2）：分子動(dòng)力學(xué)和第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)該離子熱電材料中的陰、陽(yáng)離子與不同電極接觸時(shí)，形成不同強(qiáng)度的相互作用力。其中，碳管電極與陽(yáng)離子間相互作用力比陰離子更強(qiáng)，可將部分陽(yáng)離子束縛在碳管電極界面附近。
同時(shí)，由于不同電極與陰、陽(yáng)離子間的晶格匹配度不同，陰離子在碳管電極的分布類(lèi)似于晶體式有序排列，降低了陰離子在擴(kuò)散過(guò)程中發(fā)生相互碰撞的可能性，有助于其進(jìn)行熱擴(kuò)散，而陽(yáng)離子在碳管界面近似無(wú)序排布，減緩了陽(yáng)離子熱擴(kuò)散。研究人員通過(guò)實(shí)時(shí)原位拉曼光譜掃描也證實(shí)碳管電極處的陰離子擴(kuò)散活躍主導(dǎo)了熱擴(kuò)散過(guò)程，相反，銅電極附近陰離子擴(kuò)散緩慢。相關(guān)成果以“基于可逆雙性塞貝克系數(shù)離子熱電材料的循環(huán)式熱電發(fā)電”（Reversible bipolar thermopower of ionic thermoelectric polymer composite for cyclic energy generation）為題，于2023年1月19日在線(xiàn)發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications,14, 306, 2023）期刊上。
清華大學(xué)航院博士后赤騁（現(xiàn)已出站，為華北電力大學(xué)能動(dòng)學(xué)院副教授），香港科技大學(xué)博士生劉公澤，清華大學(xué)在職博士后、陜西科技大學(xué)副教授安盟為文章的共同第一作者。清華大學(xué)航院馬維剛副教授、香港科技大學(xué)機(jī)械與航空航天系黃寶陵教授為該文章共同通訊作者，清華大學(xué)為該文章的第一單位。合作者包括華北電力大學(xué)杜小澤教授等。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、清華-豐田聯(lián)合基金、北京協(xié)同創(chuàng)新研究院和香港研資局等項(xiàng)目的資助。
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https://doi.org/10.1038/s41467-023-36018-w
供稿：航院
編輯：覃霞
審核：曲田
