南開大學(xué)馬儒軍教授團(tuán)隊(duì) AM：具有超高熱電性能的強(qiáng)韌熱電水凝膠

2023-05-26 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：超高熱電性能強(qiáng)韌熱電水凝膠拉伸誘導(dǎo)結(jié)晶熱電化學(xué)效應(yīng)

熱電池可以持續(xù)將熱量轉(zhuǎn)化為電能，廣泛用于為可穿戴電子設(shè)備供電。然而，液態(tài)電解質(zhì)存在泄漏和機(jī)械性能差的風(fēng)險(xiǎn)。盡管準(zhǔn)固態(tài)離子熱電池可以克服電解質(zhì)泄漏的問題，但其機(jī)械性能仍相對(duì)較弱。因此，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異機(jī)械性能和高熱電性能之間的權(quán)衡仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

圖1 高性能熱電水凝膠的制備與層狀各向異性結(jié)構(gòu)

近期，南開大學(xué)馬儒軍教授課題組團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于拉伸誘導(dǎo)結(jié)晶和熱電化學(xué)效應(yīng)的高熱電性能的強(qiáng)韌可拉伸熱電水凝膠。通過反復(fù)凍融輔助拉伸，聚合物鏈發(fā)生結(jié)晶以及沿拉伸方向的強(qiáng)取向性，導(dǎo)致熱電水凝膠分層各向異性網(wǎng)絡(luò)的形成（圖1）。同時(shí)，選擇 [Fe(CN)₆]^4-和[Fe(CN)₆]^3-作為氧化/還原離子對(duì)，并引入一種典型的離液陽離子胍離子，通過破壞[Fe(CN)₆]^4-的水合層，誘導(dǎo)[Fe(CN)₆]^4-結(jié)晶，促進(jìn)氧化/還原離子對(duì)的可逆反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。通過調(diào)節(jié)離子濃度進(jìn)行優(yōu)化，制備的熱電水凝膠分別具有高達(dá)6.5 mV K^-1 的熱電勢(shì)和1969 μW m^-2 K^-2的比輸出功率密度（圖2）。結(jié)合拉伸誘導(dǎo)聚合物鏈產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，水凝膠具有高的斷裂強(qiáng)度（19 MPa）和韌性（163.4 MJ m^-3）。通過調(diào)節(jié)[Fe(CN)₆]^4-/3-和胍離子與PVA分子鏈之間的聚集狀態(tài)，可以構(gòu)建一系列具有不同力學(xué)強(qiáng)度的熱電水凝膠（圖3）。這項(xiàng)研究工作克服了傳統(tǒng)準(zhǔn)固態(tài)熱電池力學(xué)強(qiáng)度低的限制，同時(shí)優(yōu)化了熱電性能，為設(shè)計(jì)具備高效熱電轉(zhuǎn)換以及靈活可靠的可穿戴電子設(shè)備提供可行方案。該工作以“Strong tough thermogalvanic hydrogel thermocell with extraordinarily high thermoelectric performance”為題發(fā)表在《Advanced Material》上（Adv. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adma.202300696）。文章第一作者為博士研究生劉利利，共同第一作者為助理研究員張鼎博士，該研究得到國家自然科學(xué)基金委以及科學(xué)技術(shù)部的支持。

圖2 熱電性能優(yōu)化與電輸出性能

圖3 熱電水凝膠力學(xué)性能的優(yōu)化

該工作是馬儒軍教授團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于高性能柔性熱電材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的最新進(jìn)展之一。馬儒軍教授目前為南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院智能熱管理實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，近年來在主動(dòng)/被動(dòng)制冷材料、柔性熱電材料與器件、高性能柔性導(dǎo)熱復(fù)合材料、能源轉(zhuǎn)換材料與器件等多學(xué)科交叉領(lǐng)域取得了一系列重要的研究成果，并以通訊或第一作者發(fā)表在Science, PNAS, Nature Communications, Joule, Chemical Society Reviews, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Nano Letters, ACS Nano等國際知名期刊上。實(shí)驗(yàn)室擁有先進(jìn)的材料制備平臺(tái)以及電學(xué)、熱學(xué)等測(cè)試系統(tǒng)，并圍繞國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等多項(xiàng)課題，展開新能源與智能熱管理技術(shù)方向的研究。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)誠招材料、化學(xué)、物理、電子等相關(guān)專業(yè)背景的博士后，歡迎有志之士將個(gè)人簡(jiǎn)歷（pdf）發(fā)送至馬儒軍教授郵箱malab@nankai.edu.cn，郵件標(biāo)題請(qǐng)注明：“應(yīng)聘博士后+本人姓名+博士畢業(yè)院校”，對(duì)于符合要求并通過初審者，將會(huì)通知安排面試。招聘啟事在崗位招滿前有效。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202300696

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（責(zé)任編輯：xu）

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