中国科学院化学研究所的科研团队在有机热电材料领域取得关键突破,为柔性电子设备的能源供应提供了创新解决方案。该研究针对可穿戴设备和物联网传感器对轻量化、柔性化能源系统的迫切需求,通过分子级结构设计实现了热电性能的显著提升。
研究团队开发的"不规则多级孔热电聚合物"(IHP-TEP)材料,通过精确调控两种聚合物的相分离过程,构建出独特的"多孔无序-狭道有序"双层结构。这种创新设计使材料在亚10纳米至微米尺度形成多级孔洞,同时保持孔间区域的高度有序分子排列。实验数据显示,该结构使热导率降低72%,载流子迁移率提升52%,在343K温度下热电优值(ZT)达到1.64,刷新了聚合物热电材料的性能纪录。
传统热电材料面临"声子玻璃-电子晶体"的矛盾需求,即需要同时具备低热导率和高电导率。研究团队提出的"无序中创造有序"策略,通过无序孔洞增强声子散射,同时利用限域效应促进分子有序组装,成功实现了热电参数的协同优化。这种双重调控机制突破了以往多周期异质组装方法的局限,更接近分子材料的本征性能极限。
该材料的制备工艺具有显著优势,采用喷涂技术可实现大面积薄膜生产,单片面积可达数十平方厘米。成本分析显示,其原料成本较传统无机热电材料降低60%以上,在柔性发电和局部制冷领域展现出广阔应用前景。研究团队已开发出原型器件,在人体热能收集和电子元件散热测试中表现出色。
这项成果发表于国际权威学术期刊《科学》,标志着我国在有机热电材料领域达到国际领先水平。研究过程中,中国科学院怀柔研究中心提供了关键技术支撑,特别是在纳米结构表征和热电性能测试方面发挥了重要作用。该工作为开发新一代柔性热电转换器件奠定了材料基础,有望推动可穿戴设备、电子皮肤和智能纺织品等领域的革新。