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深圳大學陳光明/梁麗榮《Nano Energy》：PEDOT:PSS纖維基柔性熱電器件

2022-08-07 來源：高分子科技

近十年來，有機熱電（TE）材料（尤其是導電聚合物基TE材料）的研究取得了顯著進展。其中，PEDOT:PSS具有獨特的溶液可加工性和簡便的溶劑處理等優點，可簡便得到具有優異TE性能的PEDOT:PSS薄膜。與薄膜相比，纖維在開發設計結構復雜的TE器件方面具有更好的適應性，且在可穿戴TE織物領域具有明顯優勢。然而，迄今為止，簡便安全的制備PEDOT:PSS紡絲液通過高效、快速的濕法紡絲工藝來制備兼具柔性和優異TE性能的PEDOT:PSS纖維，仍然是一個嚴峻挑戰。

鑒于此，深圳大學陳光明特聘教授課題組采用簡便的冷凍-解凍（FT）處理誘導PEDOT:PSS水分散液凝膠化，然后快速濕法紡絲，制備了高電導率（1013 ± 32 S cm^-1）的PEDOT:PSS柔性纖維，進而組裝了柔性TE器件。該器件可以利用人體熱或冰塊低溫與外界產生的溫差產生穩定的電壓。相關工作以“A PEDOT:PSS Thermoelectric Fiber Generator”為題近期發表在《Nano Energy》上。

文章亮點：

1. 通過簡便、安全的冷凍-解凍法，誘導了PEDOT:PSS水分散液的凝膠化，進而制備紡絲液，再結合連續和快速的濕法紡絲工藝，高效制備了PEDOT:PSS柔性纖維，紡絲速度可達1037 mL h^-1，優于大多數文獻中報道的紡絲速度。

圖1. 紡絲液及其PEDOT:PSS纖維的制備

2. 通過凍融次數、針頭長徑比、紡絲速度與凝固浴類型等條件的優化，在最佳紡絲條件下所得PEDOT:PSS纖維的電導率達到1013 ± 32 S cm^-1, 優于大多數報道的濕紡PEDOT:PSS纖維，其功率因子為34 ± 2 μW m^-1 K^-2。另外，在一定的機械形變（纏繞或扭轉）下，該纖維表現出穩定的TE性能。

圖2. PEDOT:PSS纖維的TE性能及其穩定性

3. 基于該PEDOT:PSS纖維較高的機械柔性與TE性能，組裝了柔性TE器件。不僅可以利用人體皮膚熱量或冰塊低溫產生穩定的電壓，而且在電壓放大器輔助下點亮LED燈，表明其對多種應用場景具有良好的適應性。同時，該器件經過200次循環彎曲形變后，能狗提供穩定的能量輸出，表明在自供電柔性/可穿戴電子方面具有潛在的應用價值。

圖3. 柔性TE器件的輸出性能及其穩定性

該論文的第一作者為深圳大學材料學院碩士研究生劉莉，通訊作者為深圳大學陳光明特聘教授，共同通訊作者為深圳大學梁麗榮助理教授和鄧亮副研究員（現在美的集團），得到了UCLA陳俊教授的幫助。相關研究得到了深圳市基礎研究項目（No. JCYJ20200109105604088）和國家自然科學基金（No. 51973122）的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107678

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（責任編輯：xu）

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