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南京郵電大學李佳慧、謝燕楠、UCLA陳俊教授《ACS Nano》：三維互連多孔網絡的可拉伸熱電纖維 - 用于身體低級熱能收集

2023-10-01 來源：高分子科技

得益于可穿戴生物電子設備的普及，當前的醫療保健系統正從以疾病為中心的反應性模式轉變為以預防和促進健康為重點的個性化模式，但用于可穿戴電子生物設備的可持續驅動仍然是一個很大的挑戰。人體可連續輸出40 mW cm^?2的熱量，因此與周圍環境始終存在5 ~ 40K左右的溫差。大量具有研究前景的熱電可穿戴設備已經被廣泛的應用于綠色能源回收，并且和無處不在的傳感器相連。但現有熱電纖維大多為p型材料，且材料電導率、塞貝克系數及熱導率耦合嚴重，力學穩定性等方面仍都面臨巨大挑戰。

南京郵電大學李佳慧、謝燕楠、UCLA陳俊教授提出采用濕法紡絲構建基于二維Ti₃C₂T_xMXene納米片和聚氨酯 PU復合的可拉伸 n 型熱電MP纖維。所提出的纖維采用 3D 互連多孔網絡設計，可同時實現令人滿意的導電性 (σ)、導熱性 (κ) 和可穿戴拉伸性。研究系統地優化了 MP 纖維的熱電和機械特性，MP-60（MXene 含量為 60 wt%）表現出 1.25 × 10³ S m^–1的高 σ，n 型塞貝克系數為-8.3 μV K^–1，并且 κ 非常低，為 0.19 W m ^–1 K ^–1。此外，MP-60纖維具有良好的拉伸性和機械強度，拉伸應變為434%，斷裂應力為11.8 MPa。在實際應用中，基于 MP-60 纖維構建了紡織熱電發電機，電壓達到 3.6 mV，人體皮膚和周圍環境之間存在溫度梯度，凸顯了低品位人體熱能收集的巨大潛力。

圖1.用于低品位能量收集的熱電纖維。(a)人體與周圍環境溫差示意圖。(b)用于三維納米結構的二維層狀材料和可穿戴熱電發電機的潛在改進。(c) MP漿體數字圖像。(d)濕紡法制備多孔纖維工藝示意圖。(e)多孔MP纖維微結構中電子傳遞的結構圖。(f)不同MXene含量的MP纖維的拉伸應變應力曲線。插圖給出了MP-60纖維以不同伸長率(100%，200%和300%)拉伸的數字圖像。(g)多孔MP-60混合纖維舉起100g重物的光學圖像。(h)二維Ti₃C₂T_x MXene熱電纖維與以往二維Ti3C2Tx mxe熱電材料性能對比雷達圖。

圖2.Ti₃C₂T_x MXene NFs和MP纖維的材料特性。(a)構建多孔MP纖維濕紡工藝的示意圖和(b)混凝界面。(c)二維Ti₃C₂T_xNFs的AFM圖像。插入的高度曲線為NF厚度沿黑線的截面圖。(d) MP混合漿的STEM元素(?C，?O，?F和?Ti)映射。(e)掃描電鏡圖像顯示MP纖維中均勻而稀疏的多孔結構。(f) Ti₃C₂T_x和MP雜化材料的C 1s， (g) O 1s和(h) F 1s核能級XPS光譜。

圖3。MP纖維和熱電發電機的熱電性能。(a) MXene含量(wt %)為40% ~ 100%的MP纖維的電導率(σ)， (b)塞貝克系數(S)， (c)功率因數(PF =σS²)。(d) MP-60纖維和純MXene纖維在330 K加熱板上隨時間變化的溫度差。器件在50 K溫度梯度時的開路電壓(e)和不同溫度梯度時的開路電壓(f)。(g)在ΔT = 10、30、50、70、90 K時，熱電器件的電壓和輸出功率隨電流的變化關系。(h)溫差為50k時的負載電壓和電流(i)負載電壓和電流隨溫度梯度的函數。(j)熱電發電機的最大功率輸出與溫度梯度的關系

圖4.可拉伸紡織熱電發電機的結構與性能。(a)可穿戴紡織熱電發電機的紅外數字圖像。(b, c)可穿戴織物熱電發電機的結構示意圖和截面示意圖。織物熱電發電機(d)有和沒有絕緣PE泡沫和(e)集成在織物中的8,16和24mp熱電單元的隨時間變化的輸出電壓。(f)織物熱電發電機在不同ΔT值下的輸出電壓。

該研究以題為“Stretchable Thermoelectric Fibers with Three-Dimensional Interconnected Porous Network for Low-Grade Body Heat Energy Harvesting”的論文發表在最新一期《ACS Nano》上。南京郵電大學李佳慧副教授、碩士生夏白露和博士生肖瀟為論文共同第一作者，謝燕楠和陳俊教授為共同通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05797

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（責任編輯：xu）

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