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蘇州大學張克勤教授、廖良生教授、卓明鵬副教授 Sci. Adv.: 用于高性能熱管理和高效電能輸出的大面積輻射調制熱電織物

2025-01-16 來源：高分子科技

通過壓電效應、光熱效應、熱電效應和水力電效應從環境或人體中收集機械能、廢熱、太陽能、水汽化學能等低品位能量，并轉換成經濟且可持續的電力，已成為自供電傳感器、能量存儲和可穿戴電子設備領域的重要研究方向。

圖1 輻射調制熱電織物結構

近期，蘇州大學張克勤教授、廖良生教授、卓明鵬副教授基于前期在個人熱管理織物和柔性太陽能熱電器件設計開發的研究基礎上（ACS Nano 2022, 16, 15000: Sci. Adv. 2023, 9, eadh8917; Adv. Fiber Mater. 2023, 5, 1725; Chem. Eng. J. 2024, 479, 147571），提出了一種將日間被動輻射冷卻（PDRC）膜覆蓋熱電陣列構建輻射調制熱電織物的低成本、高性能、可擴展的新策略（圖1）。一方面通過靜電紡絲技術制備了具有96.9%反射率和96.8%大氣透明窗口發射率的大面積聚偏氟乙烯PDRC膜，展現了優異的輻射冷卻性能（圖2）。另一方面采用經濟高效的絲網印刷技術，通過精細調碳納米管（CNT）溶液流變性，在大面積的商業織物上制造了高密度的CNT基熱電陣列，陣列密度超過560對（圖3）。利用，PDRC膜和CNT對太陽光譜優異的調控特性所展現的出色的降溫和升溫效果，通過優化PDRC膜覆蓋熱電陣列的面積（圖4），為實現服裝熱管理的同時為CNT熱電陣列構建理想的巨大溫差。在一個強度為800W/m²的標準太陽光輻照下，0.2m²的輻射調控熱電織物獲得了37K的理想溫差，實現了能量密度為0.2 mW/ m²和電壓密度為6.67 V/m2的電能輸出。該輻射調控熱電織物還具有優異的抗拉伸和耐水洗性，在智能可穿戴應用具有巨大的應用前景。該輻射調控熱電織物對光照條件具有靈敏的響應性，為柔性自供能探測器的發展提供了新思路（圖5），進一步與升壓模塊集成，在夏天普通光照條件下，能夠為小型電子設備進行供電，為輻射調控服裝與熱電纖維等能量收集與轉換纖維集成提供了理論指導和實踐經驗，有效推動了柔性能量收集與轉換器件的發展和應用。該研究為收集太陽能提供了一種輕便且經濟高效的方法，推動了柔性電子設備的批量生產，并促進了實際應用的實現。該工作以“Large-area radiation-modulated thermoelectric fabrics for high-performance thermal management and electricity generation”為題發表在《Sci. Adv.》上（Sci. Adv. 2025, 11, eadr2158）。

圖2 輻射調制熱電織物的設計與制造

圖3 基于絲網印刷的熱電陣列的光熱性能

圖4 輻射調制熱電織物的輸出性能

圖5 輻射調制熱電織物的應用

工作亮點

經濟高效的輻射調節熱電織物設計：通過靜電紡絲技術制備了具有高反射率和優異輻射冷卻性能的PDRC膜，并采用絲網印刷技術在商業織物上制造了CNT基熱電陣列，陣列密度超過560對。
卓越的光熱轉化性能：通過優化PDRC膜覆蓋熱電陣列的面積，織物在實際太陽輻射下展現出高溫差（ΔT = 37 K），展示出高效的太陽能轉化能力。
優異的熱電轉換性能：織物在0.8 sun下建立了6.67 V/m2的電壓密度，具有出色的可穿戴電子設備應用潛力和小型設備電力驅動能力。
個人熱管理與熱電技術集成：通過PDRC膜的被動輻射和CNT的光熱轉換實現對陽光輻照的出色調控，實現熱管理的同時為CNT熱電器件構建了理想的溫差，實現了高效電能輸出。

作者簡介

張克勤，特聘教授、博士研究生導師，現任蘇州大學紡織與服裝工程學院院長，從事納米功能材料、纖維材料及其復合材料的應用基礎研究。2000年12月獲南京大學理學博士學位后，先后于德國馬普金屬研究所、新加坡國立大學、哈佛大學開展凝聚態物理及材料研究。2020-2022年三次入選全球“高被引科學家”；撰寫學術專著5部；主持國家自然科學基金5項，主持參與國家重大研發計劃、863等項目5次；并獲得國家科技發明二等獎（2019年）一項。任美國物理學會終身會員，美國材料學會、中國功能材料學會理事等學術兼職。

廖良生，教授、博士生導師、俄羅斯工程院外籍院士，1982年獲南昌大學物理系理學學士學位；1988年、1996年先后獲南京大學物理系理學碩士學位和理學博士學位。1982.1-1993.9 先后任南昌大學物理系助教、講師、副教授（其間于1989.6-1990.9，在美國California State University, Northridge進修訪問）；1996.3-2000.12在復旦大學物理系從事博士后研究，隨后留任副教授（其間于1998.12-2000.6，任香港城市大學超金剛石及先進薄膜研究中心特邀研究員）；2000.12-2009.3任美國柯達公司研發部研究員；2009.3加入蘇州大學功能納米與軟物質研究院，被聘為教授、博士生導師，曾任研究院常務副院長。現兼任江蘇省產業技術研究院有機光電技術研究所執行所長。

卓明鵬，蘇州大學紡織與服裝工程學院副教授。2014年和2016年分別獲南昌大學材料科學與工程學院學士和碩士學位。2019年獲蘇州大學功能納米與軟材料研究院博士學位。2019年獲得中國博士后創新人才計劃資助在廖良生教授課題開展博士后研究工作。主要研究方向是有機光電功能低維微納米晶體和多級異質結構的精細合成，光電功能納米材料的改性合成及其差異化纖維應用，能量收集轉化功能纖維織物設計開發與智能穿戴應用。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adr2158

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（責任編輯：xu）

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