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  人體是一個移動的巨大能量庫，因此，基于人體行為和微環境的能量收集系統被開發以用作可穿戴電子設備的能量補充，去解決可穿戴設備驅動能源的限制（如尺寸大，質重，容量有限等）。因而，各種先進的能量收集系統，如壓電系統、熱電系統、磁電系統、光伏系統以及復合系統等，都應“需”而生，并獲得了良好的效果。其中，熱電技術逐漸發展為能適應真實的人體微環境(包括空氣、陽光和水分的環境)的可行路線。此外，人體微環境中存在的水分可以作為水電效應的激發源，熱電效應和水電效應的協同作用可有效地提升熱電轉換紡織結構器件輸出電壓。基于此，天津工業大學李婷婷副教授與臺灣逢甲大學林佳弘特聘教授、亞洲大學樓靜文特聘教授合作，在前期PEDOT/ PPy雙殼結構的光熱電轉換復合織物(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020 12.49)的基礎上，構建一種具有多級梯度結構的PDA-PEDOT光熱電轉換復合織物。研究內容以“Synergistic work of photo-thermoelectric and hydroelectric effects of hierarchical structure photo-thermoelectric textile for solar energy harvesting and solar steam generation simultaneously ”為題發表在一區TOP期刊《Chemical Engineering Journal》上(影響因子13.27)。

多級結構光熱電織物制備

  PDA對PP非織材料進行表面改性，可以使得PP纖維表面活化。此外，PDA和PEDOT之間還會產生靜電吸附和π-π相互作用，PEDOT牢固地附著在PP非織纖維材料表面 (見圖1a)。多級結構PP-PDA-PEDOT的制備流程和微觀形貌觀察分別如圖1b和圖2所示。

圖1 PP-PDA-PEDOT光熱電織物的制備過程

圖2 多級結構 PP-PDA-PEDOT 的微觀形貌

  圖2觀察可知，PP-PDA-PEDOT上表面形成PEDOT膜，賦予其良好的導電性；下表面形成核殼結構。同時，中間層則是凹凸不同的“褶皺”形貌。這使得PP-PDA-PEDOT“自下而上“形成一個“光陷阱”，消耗光能，如圖3所示。因此，下表面的光熱轉化效果要強于上表面。

圖3 PP-PDA-PEDOT 光陷阱示意圖

  綜上可知，PP-PDA-PEDOT上表面具有良好的熱電效果，而下表面具有優異的光熱效果。基于此，通過縫合技術將條狀PP-PDA-PEDOT和鍍銀織物進行間隔組裝得到織物太陽能板(見圖4a)，以用于同時實現光熱電轉化和光熱水蒸發。從圖4a’中可以發現，置于遮光板上下兩側的條狀PP-PDA-PEDOT就像“小樹”—持續吸收，運輸和蒸發水分，使得水電效應能夠連續發生。干態的織物太陽能板在500 W的光照可以持續輸出1.37 mV輸出電壓；而其在濕態下，則能產生12.5 mV的輸出電壓，并且在1個小時內可產生3 g左右的水蒸氣。這樣的提升的效果主要是是歸功于光熱、熱電和水電效應的協同作用，如圖5a-c所示。因此，織物太陽能板可以同時用于光熱電轉化和產生水蒸氣(見圖5d)。此外，為模擬人體出汗，采用 0.9% NaCl 溶液代替人體汗液。當織物太陽能板被模擬體液潤濕時，織物太陽能板的電壓輸出從 -0.092 mV急劇增加到1.712 mV(見圖 6f-f'')。該結果表明，光熱電和水電效應的協同作用可以顯著提高織物太陽能板的電壓輸出。此外，模擬體液的持續供應可以獲得更高的電壓輸出，達到 2.912 mV，如圖 5f''''所示。大量模擬體液蒸發使PP-PDA4-PEDOT兩端的電荷堆積更多，每個PP-PDA4-PEDOT都能獲得更高的輸出電壓，從而提高織物太陽能板整體的電壓輸出。因此，織物太陽能板可以將體液從人體皮膚上帶走以管理和監測人體濕度，并且同時產生電能。因而，該技術對人體微環境能量收集和體溫監測具備巨大的潛力，同時，多功能人體微環境自適應自供電器件對便攜式可穿戴設備的發展具有巨大的吸引力。

圖4織物熱電手環輸出電壓穩定性測試

圖5 光熱電、水電協同機理圖和實際環境測試

  該研究得到國家自然科學基金、福建省自然科學基金和天津市自然科學基金的支持。論文的第一作者為天津工業大學紡織科學與工程學院張雪飛博士，天津工業大學李婷婷副教授、臺灣逢甲大學林佳弘特聘教授和臺灣亞洲大學樓靜文特聘教授為論文的通訊作者。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131923