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近日，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院的鄭慶彬教授聯(lián)合深圳大學(xué)的陳光明教授團(tuán)隊(duì)在《Small》發(fā)表題為 “Soft Organic Thermoelectric Materials: Principles, Current State of the Art and Applications” 的文章。

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01 Small介紹

Small是材料科學(xué)國(guó)際頂級(jí)期刊，是一本關(guān)注在納米與微觀(guān)層面上的材料與物質(zhì)性質(zhì)研究的期刊，期刊內(nèi)容覆蓋了從物理科學(xué)到生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程等幾乎所有的學(xué)科領(lǐng)域。2020年期刊影響因子為13.281，JCR分區(qū)Q1。

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02 文章要點(diǎn)

文章中圖1:有機(jī)熱電材料單體、無(wú)機(jī)熱電填料及熱電材料的新興應(yīng)用

由于對(duì)廢熱利用的巨大需求，人們對(duì)熱電材料的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了巨大的興趣。熱電材料可以將廢熱有效地轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)以低成本獲取能源。與有毒、昂貴、重而脆的無(wú)機(jī)熱電材料相比，有機(jī)熱電材料由于其高靈活性、無(wú)毒、成本效益低和在各個(gè)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。通過(guò)構(gòu)建和優(yōu)化獨(dú)特的傳輸路徑和宏觀(guān)幾何形狀，有機(jī)熱電材料正在接近無(wú)機(jī)熱電材料的轉(zhuǎn)化效率。本綜述概述了有關(guān)熱電效率參數(shù)相互依賴(lài)與解耦原理的最新進(jìn)展以及高性能有機(jī)熱電材料的最新成果，討論了熱電器件的研究進(jìn)展，介紹了熱電器件在能源領(lǐng)域的應(yīng)用。

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03 綜述內(nèi)容

有機(jī)熱電發(fā)電是最近發(fā)展起來(lái)的新興科技，可用于可穿戴電子和能量收集。盡管到目前為止，傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)化合物表現(xiàn)出更好的熱電性能，但開(kāi)發(fā)柔性高效有機(jī)熱電材料的熱情從未消退。此外，無(wú)機(jī)熱電材料的自身缺陷也阻礙了其在近期先進(jìn)電子器件中的商業(yè)應(yīng)用。與之相對(duì)的是，由于有機(jī)熱電材料具有優(yōu)異的可彎曲柔韌性、低毒、低成本等特性使其具有傳統(tǒng)無(wú)機(jī)熱電材料目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，通過(guò)分子形態(tài)設(shè)計(jì)、摻雜和引入高性能無(wú)機(jī)熱電粒子，同時(shí)提高電導(dǎo)率并允許可調(diào)載流子濃度，有機(jī)熱電材料在室溫下的性能逐漸接近無(wú)機(jī)化合物。

文章中圖5. 共軛主鏈的結(jié)構(gòu)對(duì)熱電性能影響

本綜述將有機(jī)熱電材料分為三類(lèi): 以有機(jī)半導(dǎo)體分子為主的有機(jī)單組分熱電材料、有機(jī)復(fù)合熱電材料和有機(jī)離子凝膠基熱電材料。

有機(jī)半導(dǎo)體，特別是共軛有機(jī)聚合物，已經(jīng)被廣泛研究。由于單組分材料獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，分子設(shè)計(jì)和摻雜被廣泛應(yīng)用于提高其熱電性能。有機(jī)單組分熱電材料在室溫下的最高功率因數(shù)通常低于200μWm-1K-2，遠(yuǎn)低于無(wú)機(jī)化合物，因此需要進(jìn)行更多的努力去了解摻雜有機(jī)薄膜對(duì)電導(dǎo)率的形態(tài)依賴(lài)性，從而進(jìn)一步闡明摻雜劑在制備高性能有機(jī)熱電材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系中的作用。與有機(jī)單組分熱電材料相比，有機(jī)雜化或復(fù)合材料通過(guò)利用有機(jī)聚合物分子與無(wú)機(jī)填料之間的界面特性，獲得了比單個(gè)組分更高的熱電性能，成為更有潛力的熱電材料?？紤]到導(dǎo)電聚合物本身導(dǎo)熱系數(shù)低，無(wú)機(jī)熱電粒子的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較高，利用各組分的優(yōu)點(diǎn)，制備無(wú)機(jī)熱電顆粒/有機(jī)雜化材料，實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的協(xié)同優(yōu)化。單組分有機(jī)半導(dǎo)體和復(fù)合熱電材料雖然具有可調(diào)節(jié)的導(dǎo)電和導(dǎo)熱參數(shù)，但本征塞貝克系數(shù)數(shù)值遠(yuǎn)小于1mv·K-1。為了尋找有潛力和前景的替代品，柔性準(zhǔn)固態(tài)離子凝膠作為一種新型的高性能熱電材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)，它具有環(huán)境友好、塞貝克系數(shù)大的特點(diǎn)。但離子導(dǎo)體本身的離子導(dǎo)電性較低，限制了其熱電性能指標(biāo)，因而在熱電轉(zhuǎn)換方面還沒(méi)有得到廣泛的研究。熱電器件因其將熱差轉(zhuǎn)化為能量并實(shí)現(xiàn)無(wú)振動(dòng)制冷的前景而受到廣泛關(guān)注。這些特點(diǎn)推動(dòng)了有機(jī)熱電材料在遠(yuǎn)程電源、溫度傳感器、汽車(chē)、控制設(shè)備、凝露、柔性穿戴設(shè)備等方面的應(yīng)用。通過(guò)塞貝克效應(yīng)將余熱轉(zhuǎn)化為電能的熱電發(fā)電機(jī)，在可穿戴設(shè)備和工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展中越來(lái)越重要。集成熱電模塊是由兩個(gè)熱電支路組成的完整電路:一個(gè)帶正電孔的p型支路和一個(gè)帶負(fù)電子的n型支路。當(dāng)材料兩端施加一個(gè)溫差時(shí)，電流就會(huì)產(chǎn)生并在電路中流動(dòng)。盡管熱電發(fā)電機(jī)的研究已成為熱點(diǎn)，但如何設(shè)計(jì)出可靠、高效的熱電發(fā)電機(jī)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

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04??綜述討論

本文介紹了近年來(lái)具有代表性的典型有機(jī)熱電材料的前驅(qū)體。本綜述總結(jié)的研究成果在制造高性能熱電材料方面具有前所未有的潛力，可以與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)材料相匹敵。單組分熱電材料的研究工作主要集中在優(yōu)化摻雜和調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu)有序上。復(fù)合熱電材料主要研究集中在雜化材料的制備工藝和聚合物/填料界面，包括界面載流子輸運(yùn)和能量過(guò)濾效應(yīng)。離子凝膠集中于提高其離子電導(dǎo)率的同時(shí)降低對(duì)塞貝克系數(shù)的影響。盡管已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，但有機(jī)熱電材料和器件的發(fā)展仍處于起步階段。成熟的商用器件仍處于開(kāi)發(fā)階段，面臨著不可預(yù)見(jiàn)的挑戰(zhàn)，尤其宏觀(guān)制備技術(shù)、非晶聚合物中的微觀(guān)載流子輸運(yùn)和雜化材料中的載流子界面輸運(yùn)等。ZT效率大幅度提高的瓶頸在于涉及電子和聲子輸運(yùn)的物理因素之間的更強(qiáng)的相互依賴(lài)性。深入了解各種類(lèi)型有機(jī)熱電材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系是非常重要的。對(duì)于熱電發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，它們面臨著降低設(shè)備與熱源接觸熱阻的挑戰(zhàn)。今后的工作應(yīng)集中在載流子離域、界面工程和熱電發(fā)電機(jī)與熱源接觸熱阻匹配等方面。就未來(lái)的應(yīng)用而言，它應(yīng)該向可穿戴應(yīng)用、遠(yuǎn)程電源、溫度傳感器、汽車(chē)、控制設(shè)備以及冷凝水等柔性產(chǎn)品發(fā)展。

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05 作者簡(jiǎn)介

鄭慶彬教授2011年博士畢業(yè)于香港科技大學(xué)機(jī)械及航空航天學(xué)系，2019年加入香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院擔(dān)任助理教授并入選國(guó)家海外高層次青年人才項(xiàng)目。鄭教授曾任德國(guó)德累斯頓萊布尼茨高分子研究所“洪堡學(xué)者”及香港科技大學(xué)機(jī)械及航空航天學(xué)系研究助理教授，曾獲德國(guó)“洪堡學(xué)者”及香港科技大學(xué)高等研究院“青年學(xué)人”等榮譽(yù)并獨(dú)立主持國(guó)家自然科學(xué)基金，德國(guó)洪堡基金，香港研究資助局優(yōu)配研究金等項(xiàng)目。鄭教授長(zhǎng)期從事納米碳材料與集成器件的先進(jìn)制造加工及其在機(jī)械、電子、航空航天、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，如多功能復(fù)合材料、柔性顯示、柔性傳感和柔性電磁屏蔽等，取得了一系列重要研究成果，已在Progress in Materials Science, Materials Today, Advanced Functional Materials, Small, ACS Nano, Materials Horizons, Nanoscale Horizon, Nano-Micro Letters, Carbon等本領(lǐng)域頂級(jí)期刊發(fā)表文章70余篇，論文總計(jì)被引用5000余次，H-index為38。

張銀行博士2020年博士畢業(yè)于韓國(guó)仁荷大學(xué)化學(xué)學(xué)院，2020年加入香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院鄭慶彬教授團(tuán)隊(duì)擔(dān)任博士后，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)熱材料、熱電復(fù)合材料及電熱膜等。已在A(yíng)dvanced Functional Materials, Small, Carbon, Chemical Engineering Journal, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Composites Part B: Engineering 等復(fù)合材料領(lǐng)域TOP期刊發(fā)表論文二十余篇，H-index為20。