高性能有机热电材料研究取得进展

　　据统计，全球每年有超过60%的能源以“废热”形式散失，将其有效回收利用可带来巨大节能减排潜力。热电材料堪称“能量魔术师”，能够实现热能和电能之间的转换，而且整个过程无需燃料、无噪音、无污染，是新型绿色能源技术的典型代表。柔性热电材料兼具柔韧性和可弯折性，可以贴附在人体、衣物或任何曲面，悄无声息地将周围的“废热”转化为电能。理想的柔性热电材料既要具备类似晶体的高电导率，以保证电荷高效输运；又要拥有类似玻璃的低热导率，以抑制热量传导。科学界称之为“声子玻璃—电子晶体”模型，这成为热电材料研究的关键科学目标。

　　研究团队创新性提出在无序中创造有序的“无序—有序”协同调控理念。就像在崎岖山岭间修建高速公路，无序孔洞迫使热量不断“翻山越岭”，寸步难行；有序分子通道则保障了电子的“高速通行”。两者各司其职，互不干扰，成功实现了电—热输运的解耦和协同提升。团队采用“聚合物相分离”方法制造上述结构，就像油和水混合后会自然分离一样，研究人员将两种高分子材料溶解混合，在溶剂挥发过程中，两种聚合物通过分相自然“分家”。通过精确控制条件（比如聚合物的配比等），科研人员能精确调控孔洞的大小、数量和分布。相分离过程中导电聚合物被“挤压”在狭小空间里，但这种“限域效应”反而促进了分子的有序排列，就像人群在狭窄通道中会自然排成整齐队列。由此，孔洞的无序和分子的有序就同时实现了。

　　“热电优值”（zT）值是衡量热电材料性能的核心指标，它综合体现了材料的发电能力和隔热能力。长期以来，聚合物热电材料面临性能瓶颈，核心指标zT值远远落后于无机材料。此前，中国科学院化学研究所团队将聚合物热电材料的zT值提升到1.28，但仍低于柔性无机材料，成为制约其走向实用化的关键瓶颈。

　　此次，研究团队新制备的不规则多级孔热电塑料（IHP-TEP）薄膜取得了一系列性能突破：高效声子散射使热导率大幅降低72%，仅为0.16W·m^-1·K^-1；限域效应增强分子有序排列，使载流子迁移率最高提升52%。功率因子达到772μW·m^-1·K^-2，zT值突破1.64，实现了聚合物热电材料zT>1.5的历史性跨越，创造了柔性热电材料的同温区世界纪录。

　　有机材料的柔性特点，使其可以贴附在各种曲面，大大拓展了应用场景。区别于此前制成高性能柔性热电材料需要重复100次的工艺要求，新技术兼容喷涂工艺——可以像喷漆一样简单，一次成型，也可以像印刷报纸一样大面积、低成本制造。未来或许在衣服面料中就能织入这种材料，成为移动电源。长期以来，人们认为在弱相互作用主导的有机材料中，很难实现电—热输运的协同调控，而该研究突破了这一限制，推动聚合物热电材料跨入了实用化的门槛。本次研究加深了学界对软物质材料热电转换规律的深刻认知。更重要的是，研究团队建立的系统研究方案，为后续研究提供了清晰的路线图。

　　论文链接

IHP-TEP结构的设计思想与表征结果