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南開大學馬儒軍教授團隊 AM：具有超高熱電性能的強韌熱電水凝膠

2023-05-26 來源：高分子科技

熱電池可以持續將熱量轉化為電能，廣泛用于為可穿戴電子設備供電。然而，液態電解質存在泄漏和機械性能差的風險。盡管準固態離子熱電池可以克服電解質泄漏的問題，但其機械性能仍相對較弱。因此，實現優異機械性能和高熱電性能之間的權衡仍然是一個重大挑戰。

圖1 高性能熱電水凝膠的制備與層狀各向異性結構

近期，南開大學馬儒軍教授課題組團隊設計了一種基于拉伸誘導結晶和熱電化學效應的高熱電性能的強韌可拉伸熱電水凝膠。通過反復凍融輔助拉伸，聚合物鏈發生結晶以及沿拉伸方向的強取向性，導致熱電水凝膠分層各向異性網絡的形成（圖1）。同時，選擇 [Fe(CN)₆]^4-和[Fe(CN)₆]^3-作為氧化/還原離子對，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[Fe(CN)₆]^4-結晶，促進氧化/還原離子對的可逆反應，從而實現熱電轉換。通過調節離子濃度進行優化，制備的熱電水凝膠分別具有高達6.5 mV K^-1 的熱電勢和1969 μW m^-2 K^-2的比輸出功率密度（圖2）。結合拉伸誘導聚合物鏈產生的收縮應力，水凝膠具有高的斷裂強度（19 MPa）和韌性（163.4 MJ m^-3）。通過調節[Fe(CN)₆]^4-/3-和胍離子與PVA分子鏈之間的聚集狀態，可以構建一系列具有不同力學強度的熱電水凝膠（圖3）。這項研究工作克服了傳統準固態熱電池力學強度低的限制，同時優化了熱電性能，為設計具備高效熱電轉換以及靈活可靠的可穿戴電子設備提供可行方案。該工作以“Strong tough thermogalvanic hydrogel thermocell with extraordinarily high thermoelectric performance”為題發表在《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基金委以及科學技術部的支持。

圖2 熱電性能優化與電輸出性能

圖3 熱電水凝膠力學性能的優化

該工作是馬儒軍教授團隊近期關于高性能柔性熱電材料結構設計與應用的最新進展之一。馬儒軍教授目前為南開大學材料科學與工程學院智能熱管理實驗室負責人，近年來在主動/被動制冷材料、柔性熱電材料與器件、高性能柔性導熱復合材料、能源轉換材料與器件等多學科交叉領域取得了一系列重要的研究成果，并以通訊或第一作者發表在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。實驗室擁有先進的材料制備平臺以及電學、熱學等測試系統，并圍繞國家重點研發計劃項目等多項課題，展開新能源與智能熱管理技術方向的研究。團隊現誠招材料、化學、物理、電子等相關專業背景的博士后，歡迎有志之士將個人簡歷（pdf）發送至馬儒軍教授郵箱malab@nankai.edu.cn，郵件標題請注明：“應聘博士后+本人姓名+博士畢業院校”，對于符合要求并通過初審者，將會通知安排面試。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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（責任編輯：xu）

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