深圳大学陈光明/张贻川《Nano Energy》：具有垂直温差结构和压缩诱导增强热电性能的弹性气凝胶发电机

绿色能源材料及其器件是应对能源危机和全球变暖的重要策略之一。有机/无机复合热电材料具有将热能和电能直接相互转化的独特能力，因而在废热和余热的有效利用方面有着不可替代的作用。迄今为止，由复合热电材料组装的器件（热电发电机（TEG））通常采用薄膜基元，利用面内温差结构即温度梯度沿平行薄膜平面方向。然而，这种平面结构的TEG不适用于大面积的平面热源。与之相比，垂直温差型TEG可以有效利用大面积热源，并提供高输出功率。此外，实际应用时，TEG通常还会承受外在的压力并需要一定的变形以保证紧密接触。因此，能够承受机械压缩变形且具有垂直温差结构的TEG具有重要潜在应用价值。鉴于此，深圳大学陈光明特聘教授团队首先通过冷冻干燥法制备了可压缩的聚（3，4-乙烯二氧噻吩-聚对甲苯磺酸）/单壁碳纳米管（PEDOT-Tos/SWCNT）复合气凝胶热电材料，将其组装成可利用垂直温差和压缩诱导增强输出热电性能的弹性气凝胶TEG。不仅可以至于热平板上收集热能，还可以浮在热油表面并有效实现热点转换；同时，凭借其优异的弹性变形，该TEG还可作为自供能电子器件-鞋垫，已有效利用人体与外界环境的温差。

图1展示了该TEG在不同温差下的热电输出性能及其在不同热源下的输出性能。从图1a和b中可以看出，随着温差的不断增大，气凝胶TEG的输出功率也不断增大，在温差为60K时高达1835 nW，输出功率密度为28.95 mW m^-2。图1c和d比较了温差为50K时在稳定的热台热源和热油热源下的TEG输出功率。结果表明，在以热台作为稳定热源下（1232 nW）的TEG输出功率比热油(1152 nW)高，而且该TEG在热油环境中也能稳定运行。

图1. 气凝胶TEG在以热板和热油作为热源下的热电性能。（a, b）在以热板作为热源下，气凝胶TEG的输出电流、输出电压与输出功率的关系图；（c, d）在温差为50K时，热台和热油作为热源下TEG的性能比较图。

图2给出了该气凝胶TEG的输出功率与压缩应变的关系以及潜在应用。在固定温差为50K时，随着压缩应变的增加（0~50%），该TEG的输出功率从1232 nW增加到1967 nW, 提升了约1.6倍。该TEG经循环压缩200次，器件输出性能表现出良好的稳定性。图2e展示了TEG作为人体可穿戴器件-鞋垫的潜在应用。

图2. 气凝胶TEG的输出性能和压缩应变的关系以及潜在应用。（a~c）温度差为50 K时，TEG在0-50%压缩应变下的性能：（a）输出电压和（b）输出功率与输出电流的关系，（c）负载电阻对输出功率的影响。（d）50%应变下不同压缩循环下的输出功率，带有压缩和释放过程的插图。（e）照片显示了气凝胶TEG（由6条腿组成）在反复压缩下获取人体热量的潜在应用。

上述工作近期以“Elastic aerogel thermoelectric generator with vertical temperature-difference architecture and compression-induced power enhancement”为题发表在Nano Energy 2021, 90: 106577，DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106577。该工作获得了深圳市科创委基础研究重点项目（No. JCYJ20200109105604088）、广东省基础与应用基础研究基金联合基金（No. 2019A1515111196）和高分子材料工程国家重点实验室（四川大学）开放课题（Grant No. sklpme 2021-05-06）资助。在读硕士研究生王晓东为论文第一作者，在读博士研究生梁丽荣（澳门大学）为论文共同一作，张贻川副研究员与陈光明特聘教授为论文的共同通讯作者。

来源：高分子科学前沿

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