苏州大学张克勤教授、廖良生教授、卓明鹏副教授 Sci. Adv.: 用于高性能热管理和高效电能输出的大面积辐射调制热电织物

2025-01-16 来源：高分子科技

通过压电效应、光热效应、热电效应和水力电效应从环境或人体中收集机械能、废热、太阳能、水汽化学能等低品位能量，并转换成经济且可持续的电力，已成为自供电传感器、能量存储和可穿戴电子设备领域的重要研究方向。

图1 辐射调制热电织物结构

近期，苏州大学张克勤教授、廖良生教授、卓明鹏副教授基于前期在个人热管理织物和柔性太阳能热电器件设计开发的研究基础上（ACS Nano 2022, 16, 15000: Sci. Adv. 2023, 9, eadh8917; Adv. Fiber Mater. 2023, 5, 1725; Chem. Eng. J. 2024, 479, 147571），提出了一种将日间被动辐射冷却（PDRC）膜覆盖热电阵列构建辐射调制热电织物的低成本、高性能、可扩展的新策略（图1）。一方面通过静电纺丝技术制备了具有96.9%反射率和96.8%大气透明窗口发射率的大面积聚偏氟乙烯PDRC膜，展现了优异的辐射冷却性能（图2）。另一方面采用经济高效的丝网印刷技术，通过精细调碳纳米管（CNT）溶液流变性，在大面积的商业织物上制造了高密度的CNT基热电阵列，阵列密度超过560对（图3）。利用，PDRC膜和CNT对太阳光谱优异的调控特性所展现的出色的降温和升温效果，通过优化PDRC膜覆盖热电阵列的面积（图4），为实现服装热管理的同时为CNT热电阵列构建理想的巨大温差。在一个强度为800W/m²的标准太阳光辐照下，0.2m²的辐射调控热电织物获得了37K的理想温差，实现了能量密度为0.2 mW/ m²和电压密度为6.67 V/m2的电能输出。该辐射调控热电织物还具有优异的抗拉伸和耐水洗性，在智能可穿戴应用具有巨大的应用前景。该辐射调控热电织物对光照条件具有灵敏的响应性，为柔性自供能探测器的发展提供了新思路（图5），进一步与升压模块集成，在夏天普通光照条件下，能够为小型电子设备进行供电，为辐射调控服装与热电纤维等能量收集与转换纤维集成提供了理论指导和实践经验，有效推动了柔性能量收集与转换器件的发展和应用。该研究为收集太阳能提供了一种轻便且经济高效的方法，推动了柔性电子设备的批量生产，并促进了实际应用的实现。该工作以“Large-area radiation-modulated thermoelectric fabrics for high-performance thermal management and electricity generation”为题发表在《Sci. Adv.》上（Sci. Adv. 2025, 11, eadr2158）。

图2 辐射调制热电织物的设计与制造

图3 基于丝网印刷的热电阵列的光热性能

图4 辐射调制热电织物的输出性能

图5 辐射调制热电织物的应用

工作亮点

经济高效的辐射调节热电织物设计：通过静电纺丝技术制备了具有高反射率和优异辐射冷却性能的PDRC膜，并采用丝网印刷技术在商业织物上制造了CNT基热电阵列，阵列密度超过560对。
卓越的光热转化性能：通过优化PDRC膜覆盖热电阵列的面积，织物在实际太阳辐射下展现出高温差（ΔT = 37 K），展示出高效的太阳能转化能力。
优异的热电转换性能：织物在0.8 sun下建立了6.67 V/m2的电压密度，具有出色的可穿戴电子设备应用潜力和小型设备电力驱动能力。
个人热管理与热电技术集成：通过PDRC膜的被动辐射和CNT的光热转换实现对阳光辐照的出色调控，实现热管理的同时为CNT热电器件构建了理想的温差，实现了高效电能输出。

作者简介

张克勤，特聘教授、博士研究生导师，现任苏州大学纺织与服装工程学院院长，从事纳米功能材料、纤维材料及其复合材料的应用基础研究。2000年12月获南京大学理学博士学位后，先后于德国马普金属研究所、新加坡国立大学、哈佛大学开展凝聚态物理及材料研究。2020-2022年三次入选全球“高被引科学家”；撰写学术专着5部；主持国家自然科学基金5项，主持参与国家重大研发计划、863等项目5次；并获得国家科技发明二等奖（2019年）一项。任美国物理学会终身会员，美国材料学会、中国功能材料学会理事等学术兼职。

廖良生，教授、博士生导师、俄罗斯工程院外籍院士，1982年获南昌大学物理系理学学士学位；1988年、1996年先后获南京大学物理系理学硕士学位和理学博士学位。1982.1-1993.9 先后任南昌大学物理系助教、讲师、副教授（其间于1989.6-1990.9，在美国California State University, Northridge进修访问）；1996.3-2000.12在复旦大学物理系从事博士后研究，随后留任副教授（其间于1998.12-2000.6，任香港城市大学超金刚石及先进薄膜研究中心特邀研究员）；2000.12-2009.3任美国柯达公司研发部研究员；2009.3加入苏州大学功能纳米与软物质研究院，被聘为教授、博士生导师，曾任研究院常务副院长。现兼任江苏省产业技术研究院有机光电技术研究所执行所长。

卓明鹏，苏州大学纺织与服装工程学院副教授。2014年和2016年分别获南昌大学材料科学与工程学院学士和硕士学位。2019年获苏州大学功能纳米与软材料研究院博士学位。2019年获得中国博士后创新人才计划资助在廖良生教授课题开展博士后研究工作。主要研究方向是有机光电功能低维微纳米晶体和多级异质结构的精细合成，光电功能纳米材料的改性合成及其差异化纤维应用，能量收集转化功能纤维织物设计开发与智能穿戴应用。

原文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adr2158

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（责任编辑：xu）

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