颠覆传统！新型温差发电塑料问世

温差能技术在海洋能源领域取得进展后，现正迅速向其他行业扩展。

近日，科学家们发现了一种新型温差发电体——塑料基温差发电材料。这种材料是基于聚合物多周期异质结（PMHJ）热电材料的最新研究成果。

这一成果由中国科学院化学研究所朱道本/狄重安研究团队、北京航空航天大学赵立东课题组及国内外其他7个研究团队合作完成。7月24日晚，相关论文发表在了国际学术期刊《自然》上。科学家们通过构建PMHJ热电材料，显著提升其热电性能，为利用塑料实现高效温差发电提供了良好思路。

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新型高性能聚合物热电材料—PMHJ薄膜

相对于普通聚合物薄膜，PMHJ薄膜可以大幅提升材料的热电性能。

具体来说，PMHJ薄膜具有轻质柔软的特点，其厚度通常小于10纳米，界面层约为两个分子层的厚度，内部呈现体相混合的特征，这些纳米限域结构是提升材料的热电性能的最优解。

对比已有的热电材料体系，聚合物热电材料长期面临热电优值（ZT）低的瓶颈，无法满足温差发电与固态制冷应用的核心指标需求，直接制约了领域的快速发展。

而在掺杂态（6,4,4）下，PMHJ薄膜展现出优异的电输运性质，功率因子高达628μW m-1 K-2，在368 K下的热电优值为1.28，达到了商品化材料的室温区热电性能水平，推动了塑料基热电材料进入ZT>1.0的时代。

与此同时，薄膜在保证有效的电荷传输的情况下，还可以高效散射声子与类声子传播。

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塑料基热电材料是怎样的？

热电材料的种类繁多，按材料分有λ铁电类、半导体和聚合物热电材料等，按工作温度又可另行分类。

团队研发的高性能塑料基热电材料结构示意图。（中国科学院化学研究所供图）

塑料属于合成聚合物，因此，聚合物通常用于描述塑料。

由于碳元素具有独特的化学性质，能够与氢、氧、氮、磷、硫等元素形成稳定的化学键，从而构成多样化的有机分子。这些分子单体可以通过化学键的周期性连接，形成具有高分子量的聚合物。人工合成的聚合物，即塑料，有着广泛的应用领域，已经成为现代生活和高科技产业中不可或缺的材料。

许多人普遍认为塑料不具备导电性。然而，某些塑料材料经过特殊处理后，确实能够导电，这类材料被称为导电聚合物。

温差发电原理图

“很多导电聚合物可以作为热电材料，当对这种材料施加温度差时，材料两端会产生电动势；当在这种材料两端构建导电回路并施加电压时，材料两端也会产生温度差。”文章通讯作者、中国科学院化学研究所研究员狄重安介绍。

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这种材料是如何发电的？

让导电聚合物薄膜出现温差，它就可以发电，因此称之为聚合物热电材料。

这是一种利用热电材料的Seebeck效应的过程,能够将热能直接转化为电能,不需要机械运动部件，也不发生化学反应。

Seebeck，也称为热电效益，是一种由于两种不同导体或半导体的温度差异而引起的电压差现象。这一现象在1821年由‌德国物理学家Seebeck首次发现，并在科学界得到了广泛的研究和应用。

总体来说，高性能聚合物热点材料具有无振动、无噪音、无磨损、无泄漏、体积小、重量轻、安全可靠寿命长，对环境不产生任何污染等优势,是十分理想的电源。

业内专家认为，这项研究打破了现有高性能聚合物热电材料不依赖热输运调控的认知局限，为塑料基热电材料领域的持续发展提供了新路径。

基于此，未来可以利用轻质、柔软的塑料材料开发温差发电技术，进而创造出可贴合皮肤和穿戴的能源设备，以及具备温度调节功能的智能服装。这些创新应用在拓宽塑料的用途的同时，也可推动智能纺织品的发展。

参考资料：