Science！中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所狄重安團(tuán)隊(duì)在柔性材料領(lǐng)域取得重磅研究進(jìn)展！

柔性可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展，對(duì)可持續(xù)、輕量化的能源供給技術(shù)提出了迫切需求。熱電材料能夠直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能，為可穿戴設(shè)備供電提供了理想方案。其中，共軛聚合物因其本征柔軟、可溶液加工等優(yōu)勢(shì)，成為構(gòu)建柔性熱電發(fā)電機(jī)的有力候選者。然而，傳統(tǒng)聚合物熱電材料的性能轉(zhuǎn)換效率，通常用無(wú)量綱熱電優(yōu)值（zT）衡量，長(zhǎng)期徘徊在較低水平，且缺乏可規(guī)模化制備的工藝，嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用。如何在保持聚合物柔性與加工優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，大幅提升其熱電性能，是領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的關(guān)鍵難題。

2026年3月6日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所狄重安研究員團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》期刊上發(fā)表了題為“Irregular hierarchical-porous polymer for high-performance soft thermoelectrics”的研究論文。這項(xiàng)研究依托北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心等平臺(tái)，提出了一種通過構(gòu)建不規(guī)則分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化聚合物熱電性能的新策略。

研究團(tuán)隊(duì)受“聲子玻璃-電子晶體”模型啟發(fā)，巧妙地在聚合物中引入了尺寸從不足10納米到數(shù)微米的不規(guī)則、多級(jí)分布的孔洞與孔喉結(jié)構(gòu)。通過精細(xì)調(diào)控硒取代的DPP聚合物與聚苯乙烯的共混比例，利用臨界相轉(zhuǎn)變方法，成功制備了不規(guī)則分級(jí)多孔熱電薄膜。掃描電鏡和原子力顯微鏡圖像清晰地展示了這種錯(cuò)綜復(fù)雜的多孔網(wǎng)絡(luò)，其孔隙率可調(diào)，孔壁間形成了高度有序的纖維狀分子堆積結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的多孔形貌，一方面通過大量聚合物-孔洞界面增強(qiáng)了聲子散射，顯著抑制了熱傳導(dǎo)；另一方面，納米尺度的限域空間意外地誘導(dǎo)了分子鏈的更緊密堆積，提高了結(jié)晶度和載流子遷移率，彌補(bǔ)了多孔結(jié)構(gòu)可能對(duì)電荷傳輸造成的負(fù)面影響。

進(jìn)一步的掠入射X射線衍射等表征揭示，隨著聚合物比例優(yōu)化，薄膜的π-π堆積距離從3.70 ?縮短至3.61 ?，結(jié)晶相干長(zhǎng)度增加，分子排列更為規(guī)整?；魻栃?yīng)、太赫茲等測(cè)試證實(shí)，載流子遷移率最高提升了52%?；谶@種協(xié)同優(yōu)化，最佳配比的薄膜在343開爾文（約70攝氏度）下，其晶格熱導(dǎo)率降低了72%，同時(shí)保持了優(yōu)異的電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.64的熱電優(yōu)值，刷新了柔性聚合物熱電材料的性能紀(jì)錄。該值遠(yuǎn)超常規(guī)聚合物和部分柔性無(wú)機(jī)材料，甚至可與商用碲化鉍塊體材料相媲美。

除了性能卓越，該多孔薄膜的制備工藝極其簡(jiǎn)單，與噴涂法等大面積生產(chǎn)技術(shù)完美兼容。研究團(tuán)隊(duì)展示了基于此方法制備的熱電發(fā)電機(jī)，可在紙張、紡織品等多種基底上成膜。一個(gè)包含108個(gè)熱電腿的器件在40K溫差下，歸一化功率密度達(dá)到1.28 μW cm?2 K?2，并能在人體手臂上穩(wěn)定產(chǎn)生電壓。經(jīng)過上萬(wàn)次彎曲循環(huán)后，薄膜的電導(dǎo)率仍能保持93%，展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械柔性和應(yīng)用潛力。該設(shè)計(jì)策略還被證實(shí)可拓展至其他多種聚合物體系，為開發(fā)下一代高性能、可穿戴、可持續(xù)的綠色能源技術(shù)提供了切實(shí)可行的新路徑。

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