“中国薄膜”柔性热电材料刷新世界纪录，实现废热高效发电

我国科学家研制出一种具备不规则多级孔结构的新型热电聚合物薄膜（IHP-TEP）。图片来源：中国科学院化学研究所

北京3月6日——随着智能穿戴设备如手表和健康监测贴片不断普及，充电频率高成为不少消费者烦恼的问题。如今，这一难题或许有望被彻底解决。3月6日，中国科学院化学研究所朱道本院士与狄重安研究员团队，联同国内多家单位，最新成果发表于《Science》期刊。他们提出了一种全新材料设计策略，在“无序”中构建“有序”，开发出全新多级孔隙结构的热电聚合物薄膜（IHP-TEP）。该材料的热电优值（zT值）在343K条件下达到1.64，刷新了柔性热电材料在该温区的世界纪录。

智能穿戴设备的能源续航问题人们关注已久。如果能把体温或环境中的温差直接转变为电能，就能让可穿戴电子产品实现“自我续航”。热电材料是实现这一设想的核心，它能够直接把热能和电能相互转换：有温差时，热量转为电流（即塞贝克效应）；反过来，通电后材料一端变热、另一端变冷（即帕尔贴效应）。高性能热电材料不仅适用于回收废热、固态制冷等领域，对于满足可穿戴电子和物联网设备的自我供能尤为重要。这一领域也被国际科技界认为是极具挑战性和前景的研究方向。

相较无机材料，有机热电材料质轻柔性好，可以通过溶液加工，贴合于复杂曲面，实现体温或环境热能持续发电。这使其在柔性电子产品上的潜力巨大。以往，聚合物热电材料的性能相比无机材料存在较大差距。目前，柔性无机材料zT可达1.0-1.4，而多数有机热电材料zT还低于0.5。去年，朱道本团队将聚合物热电材料zT推升至1.28，虽已取得突破，但综合性能和制备工艺仍难以媲美同类高效无机材料，影响了实际推广应用。

推动聚合物热电性能突破的难题，在于材料的热传导与电荷输运往往相互制约，难以同步优化。理想的热电材料，应具备“声子玻璃-电子晶体”特性：能像玻璃那样高效阻断热量流动，又能像晶体那样高效传导电荷。这种“电-热协同调控”极为复杂，一直制约着聚合物热电材料性能提升。

朱道本、狄重安团队此次研发的IHP-TEP，通过特殊的多级孔结构实现了新突破。材料内部分布着形状和尺寸各异的纳米到微米级孔洞，既能显著增强声子散射，抑制热传导，也能通过纳米限域效应促使分子有序排列，提高电荷运输。可以想象成在崎岖山地开辟交通网络：杂乱的孔洞让热量难以流通，而规整的分子通道又让电荷传递更为顺畅。正是这种巧妙结构，使得热和电的输运实现有效“分流”和协同优化。

这一结构依靠“聚合物相分离”工艺制备，将PDPPSe-12聚合物半导体和PS（聚苯乙烯）均匀混合，待溶剂挥发，两者相分离形成多孔结构。通过调节共混比例等参数，可以精确控制孔洞的分布和大小。IHP-TEP能有效管理声子与材料边界的散射作用、声子之间的相互影响以及尺寸带来的效果，使热导率降低72%；同时，孔洞结构提升了分子有序排列，载流子迁移率最多提升52%。最终，在343K时zT达到1.64，不仅超越了以往柔性无机热电材料的同温区性能，还便于与喷涂等工艺结合，适合大规模应用于柔软发电设备中。

这项创新打破了聚合物热电材料在热与电输运性能难以协同的旧有瓶颈，为柔性热电产业提供了全新发展思路。未来，随着相关技术日益成熟，我们身边的很多“塑料”制品也许都能摇身一变，成为能量采集的小“发电站”或个性化微型空调，将生活中的“余热”转化为绿色能源，让清洁动力走进千家万户。