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塑料添加劑顯著提升導電聚合物熱電性能 - 福建物構所林悅團隊與國防科大陳晨、程海峰團隊在《Adv. Mater.》發表突破性研究
2025-01-25  來源:高分子科技

  近日,中國科學院福建物質結構研究所林悅研究員團隊與國防科技大學陳晨、程海峰團隊聯合攻關,在國際知名期刊《Advanced Materials》上發表最新成果:他們借鑒塑料工業中常用的成核劑技術,通過在半結晶導電聚合物中引入極少量塑料添加劑,大幅提升了聚合物的熱電轉換效率。該方法為未來可穿戴設備、柔性電子和可持續能源的材料研發帶來了全新思路。



  導電聚合物在可穿戴電子、柔性傳感和綠色能源等領域一直備受關注,但其熱電性能,特別是功率因子,始終難以與傳統無機材料比肩。研究團隊選取半結晶導電聚合物聚(2,5-雙(3-烷基噻吩-2-基)噻吩并[3,2-b]噻吩)(PBTTT-C14),在其中僅添加 0.9wt% 的成核劑 N,N′-(1,4-苯基)雙異煙酰胺(PDA),便實現了材料性能的顯著躍升:結晶度提升 45%,電導率增大 96%(高達 1,894 S cm?1),熱電功率因子更是提升 433%(達到 176 μW m?1 K?2),性能表現令人矚目。“這一研究證明,我們并不需要依賴機械拉伸或復雜工藝來控制半導體聚合物的微觀結構,”該項目通訊作者林悅研究員表示,“在傳統塑料工業的工程化加工手段中,凝結了歷代工程師的經驗和智慧。我們發現,向半導體材料體系中引入類似的成核劑方法,可有效調控晶體結構,從而大幅提升導電性能。成核劑技術簡單易行,添加劑本身成本低廉、易于獲取,這為有機熱電材料的規模化與產業化奠定了基礎。”


  研究團隊通過 X 射線散射(GIWAXS)、原子力顯微鏡(AFM)與差示掃描量熱法(DSC)等手段,對材料微觀結構演變進行了詳盡表征。結果顯示,在高溫下,PDA 均勻溶解并在冷卻過程中自組裝成納米級結構,這些結構幫助 PBTTT-C14 分子鏈更有序地排列,增大結晶區域,減少晶界電阻,從而顯著提升了電荷遷移率。此外,研究中還結合了離子交換摻雜(Ion Exchange Doping)工藝,在進一步提高電導率的同時確保了材料較高的結晶度,為性能提升提供了有力支撐。


  這一突破為高性能導電聚合物在柔性電子、智能紡織品、便攜式能源設備等領域的應用打開了新局面。相比于傳統無機熱電材料,導電聚合物具有輕質、柔韌、低成本、環保等優勢,尤其適宜可穿戴式設備和柔性傳感器等應用場景。聯合團隊表示,下一步將繼續探索其他類型的成核劑,進一步優化材料性能,并推動其在柔性電子、新能源器件等方向的潛在產業化落地。


  該項目獲得國家自然科學基金、閩都創新實驗室、國防科大創新基金等的支持。近年來,中國科學院福建物質結構研究所林悅團隊在熱輸運物理學及高性能熱學功能材料領域已取得系列進展,相關成果發表于:Newton. 2025, 1, 100008;Adv. Funct. Mater. 2024, 2419776;Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2402276;ACS Materials Lett. 2024, 6, 4351?4359;Nano Lett. 2023, 23, 3352?3361


  此次利用成核劑實現熱電性能的大幅提升,再次為導電聚合物領域注入了新的活力,也展現了從傳統塑料到前沿半導體材料之間的跨界聯動與融合潛能。研究團隊期待更多學術機構和企業參與,共同拓展相關研究的應用前景,為柔性電子與可持續能源技術的發展帶來更多可能。


  論文信息:Chen Chen, Yue Lin* et al., Boosting Thermoelectric Performance of Semicrystalline Conducting Polymers by Simply Adding Nucleating Agent, Advanced Materials, 2025. DOI: 10.1002/adma.202417594

  https://doi.org/10.1002/adma.202417594


通訊作者簡介:



  林悅,中國科學院福建物質結構研究所,研究員,博士生導師


  ·主要研究方向:熱學功能材料,包括復雜材料體系的熱輸運物理學、功能納米復合材料設計與制備、以及先進芯片熱管理材料及系統集成


  ·迄今在Adv. Mater.、Newton、Energy Environ. Sci.等具有國際影響力的學術期刊上發表研究論文30余篇。同時,擁有已授權國際專利30余件,2個專利集群成功轉讓國內外知名公司,實現產業化。


  ·獲國家高層次青年人才計劃 (2022)、福建省自然科學基金“杰出青年”基金 (2022)、福建省“百人計劃” (2020)、歐盟“瑪麗居里全球學者計劃 (Marie Curie Global Fellowship)”(2018)等項目支持。


課題組招生與聯系方式


  • 課題組網站:http://www.fjirsm.ac.cn/ly/


  • 長期招收高分子材料、凝聚態物理、工程熱物理、集成電路相關優秀碩士、博士、博士后、以及崗位科研人員,歡迎有意向者積極聯系課題組。


  • 已畢業碩士生 2/3 在中科院 SCI 分區一區頂級期刊上發表論文,并獲得京東方、中國科學院蘭州化物所、三環集團、國家管網集團等頭部單位的錄用通知,年薪最高可達30w+。


  林悅課題組期待更多有志于熱學功能材料、先進熱能轉換技術以及前沿芯片熱管理的優秀人才加入,共同推動學術研究與產業應用的協同發展。

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(責任編輯:xu)
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