機(jī)電工程學(xué)院青年教師在《Nature Communications》發(fā)表全固態(tài)離子熱電研究進(jìn)展論文

2022年1月11日，機(jī)電工程學(xué)院安盟副教授相關(guān)研究成果以“Selectively Tuning Ionic Thermopower in All-Solid-State Flexible Polymer Composites for Thermal Sensing”為題，在線發(fā)表于Nature Communications期刊上。

《Nature Communications》是國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nature》發(fā)行的子刊(自然指數(shù)期刊)，內(nèi)容涉及自然科學(xué)所有領(lǐng)域，是國際頂級(jí)綜合性期刊，發(fā)表的論文不僅對(duì)某一專業(yè)領(lǐng)域有重要的理論或應(yīng)用價(jià)值，還要求能引起廣泛的科學(xué)興趣，有利于推動(dòng)其它領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展。該文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27885-2。

安盟與清華大學(xué)張興教授、馬維剛副教授、香港科技大學(xué)黃寶陵副教授等課題組合作，提出了選擇性調(diào)控全固態(tài)離子熱電P/N型的機(jī)制和實(shí)現(xiàn)了寬調(diào)控范圍，并開發(fā)出優(yōu)異響應(yīng)特性的無接觸式熱傳感器。該研究對(duì)離子熱電關(guān)鍵參數(shù)調(diào)控和新型離子熱電材料開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義，為基于離子熱電效應(yīng)的器件設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了新范式。

近年來，以離子為載流子的塞貝克效應(yīng)為開發(fā)高性能熱電器件開辟了全新途徑，然而，當(dāng)前的離子熱電材料依然受到各種因素限制，存在一些難以克服的瓶頸，例如離子熱電材料多以含有水溶液的凝膠為主，液體容易蒸發(fā)或泄漏，導(dǎo)致其穩(wěn)定性欠佳，且離子熱電材料以P型為主，可選擇的N型材料種類非常有限。目前尚缺乏針對(duì)全固態(tài)聚合物離子型熱電材料P-N型轉(zhuǎn)換的普適性機(jī)理，選擇性調(diào)控特定離子在全固態(tài)聚合物中的熱輸運(yùn)過程異常困難，因此極大地限制了離子熱電的實(shí)際應(yīng)用。

全固態(tài)離子熱電材料P-N型熱電性能

(a) P-N型轉(zhuǎn)換調(diào)控示意圖，（b）電壓響應(yīng)方向?qū)Ρ葓D，（c）P型至N型塞貝克系數(shù)變化圖，（d）P型和N型離子產(chǎn)生熵變圖，（e）已報(bào)道的P-N型塞貝克系數(shù)范圍對(duì)比圖。

本研究首先設(shè)計(jì)和開發(fā)出具有高塞貝克系數(shù)的P型（20 mV K^-1）全固態(tài)柔性離子熱電復(fù)合材料（PVDF-HFP/NaTFSI/PC），并且具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。通過引入強(qiáng)電負(fù)性三(五氟苯基)硼烷（TPFPB）分子，有效地抑制了陽離子在聚合物中的輸運(yùn)，成功將該P(yáng)型復(fù)合材料轉(zhuǎn)換至N型，塞貝克系數(shù)可調(diào)控至-6 mV K^-1。通過傅里葉變換紅外和拉曼光譜等實(shí)驗(yàn)表征并結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究人員系統(tǒng)研究了不同離子濃度、濕度對(duì)離子熱電性能關(guān)鍵參數(shù)的影響及其耦合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)材料的P/N型屬性與陰、陽離子產(chǎn)生的伊士曼熵變絕對(duì)值具有緊密聯(lián)系，當(dāng)陽離子產(chǎn)生的熵變值高于陰離子時(shí)，復(fù)合材料表現(xiàn)為P型，反之為N型。對(duì)揭示全固態(tài)聚合物離子熱電材料P-N型轉(zhuǎn)換的物理機(jī)制具有重要意義。

研究人員開發(fā)了基于離子熱電效應(yīng)的無接觸式自供電熱智能探測器，在較寬的光、熱刺激范圍內(nèi)展現(xiàn)出優(yōu)異的響應(yīng)特性、可重復(fù)性和高靈敏度。同時(shí)，研究人員開發(fā)出由13對(duì)P-N熱電臂組成的平面式熱傳感器，該傳感器在10K溫差下可產(chǎn)生2.5V電壓且具備高穩(wěn)定性。

基于離子熱電效應(yīng)的應(yīng)用展示

(a) 離子熱電發(fā)電機(jī)，（b）離子熱電探測器，（c）發(fā)電機(jī)在不同溫差下的響應(yīng)結(jié)果，（d）熱探測器在不同熱源下的響應(yīng)，（e）無接觸式自反饋控制圖。

安盟為論文的共同第一作者（排序第二），我校為第二署名單位。清華大學(xué)博士后赤騁為文章的共同第一作者（排序第一）。清華大學(xué)馬維剛、香港科技大學(xué)黃寶陵為該文章的共同通訊作者。合作者包括美國伍斯特理工學(xué)院王巖教授、張瑞寒博士，澳大利亞昆士蘭大學(xué)巴里斯·德米爾（Baris Demir）特聘研究員等。該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金委、中國博士后科學(xué)基金會(huì)等項(xiàng)目的資助。

現(xiàn)任機(jī)電工程學(xué)院過程裝備與控制工程教研室副主任的安盟是學(xué)校引進(jìn)的高水平博士，入校幾年來主要從事微納尺度熱能轉(zhuǎn)換與利用的相關(guān)研究，主持國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、博士后特別資助和面上項(xiàng)目、陜西省青年基金和陜西省青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目等基礎(chǔ)研究項(xiàng)目7項(xiàng)，擔(dān)任了Frontiers in Mechanical Engineering客座編輯，是清華大學(xué)在職博士后，去年底，獲評(píng)為日本學(xué)術(shù)振興會(huì)JSPS Fellowship、陜西省青年科技新星。

（核稿：夏祥林 編輯：王舒婷）