石墨烯在新能源汽車鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用
2024-10-12
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我國科學(xué)家在高性能聚合物熱電材料研制方面取得重要進(jìn)展
- 分類：新聞資訊
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- 發(fā)布時(shí)間：2024-07-26
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【概要描述】 碳元素可以與氫、氧、氮、磷、硫等元素形成化學(xué)鍵，從而構(gòu)建出各種有機(jī)分子，這些分子單體通過周期性的鍵合可以形成高分子量的聚合物。目前，人工合成的聚合物，尤其是塑料，已經(jīng)在人們?nèi)粘Ｉ钪袩o處不在。
我國科學(xué)家在高性能聚合物熱電材料研制方面取得重要進(jìn)展
【概要描述】 碳元素可以與氫、氧、氮、磷、硫等元素形成化學(xué)鍵，從而構(gòu)建出各種有機(jī)分子，這些分子單體通過周期性的鍵合可以形成高分子量的聚合物。目前，人工合成的聚合物，尤其是塑料，已經(jīng)在人們?nèi)粘Ｉ钪袩o處不在。
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- 發(fā)布時(shí)間：2024-07-26
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碳元素可以與氫、氧、氮、磷、硫等元素形成化學(xué)鍵，從而構(gòu)建出各種有機(jī)分子，這些分子單體通過周期性的鍵合可以形成高分子量的聚合物。目前，人工合成的聚合物，尤其是塑料，已經(jīng)在人們?nèi)粘Ｉ钪袩o處不在。
傳統(tǒng)的聚合物為絕緣體，上世紀(jì)70年代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)碘摻雜的聚乙炔具備導(dǎo)電能力，徹底顛覆了“塑料不能導(dǎo)電”的傳統(tǒng)認(rèn)知。該發(fā)現(xiàn)不但掀起了導(dǎo)電聚合物和其他光電分子材料的研究熱潮，還催生了有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）等電子產(chǎn)業(yè)，讓光彩奪目的顯示屏走進(jìn)了我們的日常生活。
PMHJ結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想與飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜表征結(jié)果
能發(fā)電的塑料
導(dǎo)電聚合物不但具有和傳統(tǒng)塑料類似的柔性、易加工性和低成本等特點(diǎn)，還可以通過分子設(shè)計(jì)和化學(xué)摻雜攜帶電荷，從而表現(xiàn)出導(dǎo)電性。
更為神奇的是，很多導(dǎo)電聚合物可以作為熱電材料。也就是說，當(dāng)在聚合物薄膜上施加溫度差時(shí)，材料兩端就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（塞貝克效應(yīng)），而當(dāng)在材料兩端構(gòu)建導(dǎo)電回路并施加電壓時(shí)，導(dǎo)電塑料薄膜的兩端也會(huì)產(chǎn)生溫度差（帕爾貼效應(yīng)）。
基于這些現(xiàn)象，人們就可以利用輕質(zhì)與柔軟的塑料來實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電，發(fā)展貼附式和可穿戴的綠色能源，也有望將其編織成塑料纖維，變成可以控制溫度的服裝，該領(lǐng)域的研究成為材料科學(xué)的前沿?zé)狳c(diǎn)和最具挑戰(zhàn)的方向之一。
高性能熱電材料應(yīng)具備高塞貝克系數(shù)、高電導(dǎo)率和低熱導(dǎo)率，而理想的模型就是“聲子玻璃-電子晶體”模型。具體來說，材料需要像玻璃一樣阻擋熱量（聲子）傳導(dǎo)，但又像晶體一樣允許電荷自由移動(dòng)，也就是讓聲子“寸步難行”而讓電荷“暢通無阻”。
科學(xué)界普遍認(rèn)為，聚合物具有聲子玻璃特征，從而具有本征低熱導(dǎo)率。而實(shí)際上，很多高電導(dǎo)聚合物薄膜具有有序分子排列的結(jié)晶區(qū)，和理想的“聲子玻璃”有很大差異，直接制約了聚合物熱電性能的提高。
02
大幅提升性能
在過去十余年中，人們利用分子創(chuàng)制、組裝和摻雜調(diào)控聚合物薄膜的塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率及其制約關(guān)系，但其熱電優(yōu)值一直停留在0.5附近，遠(yuǎn)低于商品化無機(jī)熱電材料的性能，這一性能困境直接制約了塑料基熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展。
中國科學(xué)院化學(xué)研究所朱道本/狄重安研究團(tuán)隊(duì)、北京航空航天大學(xué)趙立東課題組及國內(nèi)外其他七個(gè)研究團(tuán)隊(duì)合作，提出并構(gòu)建了聚合物多周期異質(zhì)結(jié)（PMHJ）熱電材料。具體而言，就是利用兩種不同的聚合物構(gòu)建周期有序的納米結(jié)構(gòu)，其中每種聚合物的厚度均小于10納米，兩種材料的界面約為2個(gè)分子層的厚度，并且界面層內(nèi)部呈現(xiàn)體相混合的特征。
這一納米限域的結(jié)構(gòu)不但可以保證有效的電荷傳輸，同時(shí)可以高效散射聲子與類聲子傳播。也就是說，PMHJ薄膜相對(duì)普通聚合物薄膜更接近“聲子玻璃-電子晶體”模型，有望大幅提升材料的熱電性能，為高性能塑料基熱電材料的研究提供了全新思路。
研究團(tuán)隊(duì)利用中國科學(xué)院化學(xué)研究所張德清課題組和英國牛津大學(xué)Iain McCulloch課題組發(fā)展的PDPPSe-12和PBTTT兩種聚合物，以及韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院BongSoo Kim課題組發(fā)展的交聯(lián)劑，結(jié)合分子交聯(lián)方法，構(gòu)筑了具有不同結(jié)構(gòu)特征的PMHJ薄膜。團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及與清華大學(xué)王冬課題組的理論合作研究，揭示了其熱導(dǎo)率的尺寸效應(yīng)和界面漫反射效應(yīng)。
當(dāng)單層厚度接近共軛骨架的“聲子”平均自由程時(shí)，界面散射明顯增強(qiáng)，薄膜的晶格熱導(dǎo)率降低70%以上。當(dāng)兩種聚合物及其界面層厚度分別為6.3±0.5、4.2±0.4和3.9±0.4納米時(shí)，氯化鐵摻雜的PMHJ薄膜展現(xiàn)出優(yōu)異的電輸運(yùn)性質(zhì)，368K下的熱電優(yōu)值（ZT）為1.28，達(dá)到商品化材料的室溫區(qū)熱電性能水平，直接帶動(dòng)塑料基熱電材料步入ZT>1.0時(shí)代。此外，PMHJ結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的普適性，其加工方式與溶液法制備技術(shù)兼容，在柔性供能器件方面具有重要應(yīng)用潛力。
上述研究打破了現(xiàn)有高性能聚合物熱電材料不依賴熱輸運(yùn)調(diào)控的認(rèn)知局限，為塑料基熱電材料領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展提供了新路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07724-2）。
信息來源：中國科學(xué)院化學(xué)研究所
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