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  便攜設(shè)備與傳感器的協(xié)同實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體健康與活動(dòng)的遠(yuǎn)程持續(xù)監(jiān)測(cè)，有力支撐了物聯(lián)網(wǎng)在健康領(lǐng)域的發(fā)展。然而，隨著傳感器功能不斷強(qiáng)化，其功耗急劇攀升，而電池容量受物理極限制約，導(dǎo)致設(shè)備需頻繁充電，嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性。基于塞貝克效應(yīng)的可穿戴熱電發(fā)電機(jī)(TEG)能夠?qū)⑷梭w散發(fā)的熱量直接轉(zhuǎn)換為電能，為低功耗傳感器提供持續(xù)電力，逐漸成為構(gòu)建自供電系統(tǒng)的理想途徑之一。然而，現(xiàn)有TEG普遍存在熱電轉(zhuǎn)換效率低、穿戴熱舒適性差的核心瓶頸，嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。因此，發(fā)展兼具高效熱能收集與零能耗個(gè)人熱管理(PTM)功能的新一代可穿戴TEG器件，已成為突破該技術(shù)應(yīng)用障礙、推動(dòng)自供電電子發(fā)展的關(guān)鍵方向。

  近期，為攻克可穿戴TEG器件面臨的熱電轉(zhuǎn)換效率低與熱舒適性差的雙重挑戰(zhàn)，北京航空航天大學(xué)潘曹峰教授/河南大學(xué)曹瑞瑞副教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)材料-結(jié)構(gòu)-工藝的協(xié)同創(chuàng)新，成功構(gòu)筑了一種集成相變熱調(diào)節(jié)與熱電轉(zhuǎn)換功能的可拉伸熱電紗線(STRTEYs)，為發(fā)展新一代自適應(yīng)、自供電的可穿戴系統(tǒng)提供了全新的解決方案。

  該工作以“All-In-One Flexible Thermoelectric Yarns for IntegratedEnergy Harvesting, Adaptive Personal ThermalManagement, and Self-Powered Sensing”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的支持。

  該工作的核心創(chuàng)新在于，首創(chuàng)性地將同軸靜電紡絲與凝固浴濕紡技術(shù)結(jié)合，構(gòu)筑了具有“相變材料熱緩沖芯層-SWCNT/PEDOT:PSS熱電功能層-聚氨酯柔性封裝皮層”多級(jí)皮芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合紗線。其中，相變材料通過(guò)可逆的固-液相變高效緩沖局部溫度波動(dòng)，不僅顯著提升了穿戴熱舒適性，更有助于維持熱電材料兩端的穩(wěn)定溫差，從而協(xié)同增強(qiáng)了持續(xù)發(fā)電能力。

  該策略不僅實(shí)現(xiàn)了潛熱儲(chǔ)存(110 J/g)與熱電轉(zhuǎn)換(PF高達(dá)6.77 μW/(m K2))的功能一體化，更通過(guò)凝固浴中的靜電自組裝效應(yīng)精細(xì)調(diào)控了導(dǎo)電通路，在保證高塞貝克系數(shù)(46 μV/K)的同時(shí)獲得了顯著提升的電導(dǎo)率(32 S/cm)，其性能優(yōu)于近期同類報(bào)道。值得注意的是，通過(guò)高效的相變潛熱管理，STRTEYs將有效熱電輸出持續(xù)時(shí)間顯著延長(zhǎng)了約393秒，有力印證了相變熱調(diào)節(jié)與能量收集之間的協(xié)同增效機(jī)制。與此同時(shí)，該紗線對(duì)微小溫差表現(xiàn)出高靈敏度(0.32℃)，具備優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性(存放5個(gè)月后塞貝克系數(shù)保持45.85 μV/K)、機(jī)械柔韌性(應(yīng)變>140%)與循環(huán)穩(wěn)定性(100次熱循環(huán)后性能保持率>99%)。

圖1多功能STRTEYs的制造工藝、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和工作機(jī)理示意圖

圖2 STRTEYs試樣的形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)以及熱電性能參數(shù)的系統(tǒng)表征

圖3 STRTEYs器件相變熱調(diào)節(jié)特性與熱能收集特性的有效整合與協(xié)同提升

圖4 STRTEYs在自供電呼吸監(jiān)測(cè)、體溫預(yù)警及可編程熱觸控界面等多場(chǎng)景應(yīng)用探索

  該研究進(jìn)一步演示了多功能STRTEYs紗線在自供電呼吸監(jiān)測(cè)、體溫預(yù)警及可編程熱觸控界面等多場(chǎng)景應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了從能量收集、熱舒適管理到生理信息傳感的無(wú)縫集成。本研究的科學(xué)價(jià)值在于，突破了傳統(tǒng)TEG單一能量采集的局限，建立了“熱管理-熱電轉(zhuǎn)換-信號(hào)感知”多物理場(chǎng)耦合的新范式，為面向物聯(lián)網(wǎng)與個(gè)性化醫(yī)療的下一代舒適型自供電器件奠定了材料與器件基礎(chǔ)。

通訊作者簡(jiǎn)介：

  潘曹峰，北京航空航天大學(xué)藍(lán)天杰出教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家杰青。2005、2010年分別于清華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院獲學(xué)士、博士學(xué)位，2012年獲全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng)。其后于美國(guó)佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院進(jìn)行博士后研究。2013-2023年任中國(guó)科學(xué)院大學(xué)/北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員。主要從事低維半導(dǎo)體傳感材料與器件應(yīng)用研究。在Nat. Photon.、Nat. Comm.、Adv. Mater.、Chem. Rev.、Adv. Energy Mater.等期刊上發(fā)表SCI論文350余篇，引用34000余次，H因子103，20余成果入選“中國(guó)百篇最具影響力國(guó)際學(xué)術(shù)論文”和“ESI高被引論文”，授權(quán)美國(guó)專利3項(xiàng)，中國(guó)專利40余項(xiàng)。2021年獲得國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、2016年獲得國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金等資助，并先后入選中組部QR計(jì)劃青年項(xiàng)目(2014)、北京市海聚計(jì)劃(2015)、科睿唯安高被引科學(xué)家等；主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)(傳感器專項(xiàng))，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)課題(納米專項(xiàng))，國(guó)家自然基金杰出青年基金、優(yōu)秀青年基金、原創(chuàng)重點(diǎn)、聯(lián)合重點(diǎn)，北京市科技創(chuàng)新計(jì)劃和自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目，中科院院長(zhǎng)基金等。現(xiàn)任國(guó)際期刊Sci. Bull.和Nanotechnology副主編，中國(guó)材料學(xué)會(huì)交叉分會(huì)副理事長(zhǎng)、智能傳感功能材料與器件分會(huì)常務(wù)理事與納米材料與器件分會(huì)理事。

  曹瑞瑞，河南大學(xué)副教授、博士/碩士生導(dǎo)師，主要從事聚合物PCM、柔性能源器件及智能紡織品研究。2014~2019年，申請(qǐng)人在天津工業(yè)大學(xué)張興祥教授課題組攻讀博士學(xué)位，期間主要開展“氧化石墨烯/石墨烯/碳納米管改性聚合物相變材料及其纖維應(yīng)用”相關(guān)研究，并榮獲天津市優(yōu)秀博士學(xué)位論文。2019年7月加入河南大學(xué)光伏材料省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(現(xiàn)未來(lái)技術(shù)學(xué)院)，主要聚焦于智能高分子材料研發(fā)、功能紡織品設(shè)計(jì)及柔性能源器件相關(guān)領(lǐng)域；同期在北京航空航天大學(xué)潘曹峰教授課題組圍繞低維半導(dǎo)體傳感材料與器件應(yīng)用開展合作研究。近五年，以第一作者和通訊作者身份在Adv. Funct. Mater.(3)、Energy Storage Mater.、Nano Energy (2)、Nano Today等期刊上發(fā)表論文20余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利4項(xiàng)，主持完成國(guó)家級(jí)、省部級(jí)等項(xiàng)目8項(xiàng)。現(xiàn)為國(guó)際期刊Rare Metals青年編委。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202525233