晴天时，太阳光的直接辐射会加热人体周围的空气，使得人体周围环境温度升高；同时，到达人体服装的太阳光也会加热服装的表面，使得被阳光照射部位的服装吸收转换太阳能后，其表面温度会高于人体体表温度。此时，所产的热能将由人体外部向人体体表进行传递。而当人体处在没有阳光直射的环境（如夜晚，阴天，雨天，雪天等）时，人体体表的温度则会高于外部大气环境温度。此时，人体热量则是从人体体表流向外部大气环境。综上可知，当人处在不同的大气环境中时，人体微环境中则会产生不同方向的温度梯度。因此，人体微环境中热能（人体自身热辐射和外界热辐射）的收集、转化对于延长可穿戴电子产品的使用寿命具有重大的意义。
天津工业大学李婷婷副教授与台湾逢甲大学林佳弘特聘教授、亚洲大学楼静文特聘教授合作，基于前期对PEDOT:Tos 涂层织物低温界面聚合工艺参数的优化（Prog Org Coat 2020.105919; Smart Mater. Struct. 2021. 30 015003），提出一种基于PEDOT/ PPy双壳结构的光热电转换复合织物。研究内容以“Dual-Shell Photothermoelectric Textile Based on a PPy Photothermal Layer for Solar Thermal Energy Harvesting”为题发表在一区TOP期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》上(影响因子9.229)。
双壳结构光热电织物制备
具有本征柔性的有机导电聚合物适合加工制备柔性可穿戴器件。其中，PEDOT还兼具优异的热电性能，而PPy则具有优异的光热转换性能。基于此，通过PEDOT和PPy材料的协同作用则可开发出具有良好光热电转换的PEDOT-PPy复合织物。如图1a所示，以聚丙烯非织布为基底，采用低温界面聚合获得PP-PEDOT-PPy光热电复合织物。所制备织物具有柔软、可导电的特性，可用于柔性可穿戴器件。
图1 双壳结构热电织物的制备过程及其柔性和导电性演示
图2 PP-PEDOT-PPy复合织物的 SEM观察和EDS分析
低温界面聚合使PP-PEDOT-PPy纤维获得由内至外的双壳结构，如图2所示。其中， PEDOT层作为热电层（内壳），驱动热电转化；PPy层作为光热层（外壳），完成光热转化。通过光热层和热电层的协同作用，可以同时实现光能--电能的一体转化。
图3 热电手环设计，及其使用场景示意图
为了实现光热电织物在可穿戴领域应用，基于热电组件基本原理，以PP-PEDOT-PPy热电织物作为p极，以PP-Ag导电织物为n极，在低导热基底上构建出可贴附于皮肤表面的柔性织物热电手环，如图3所示。该手环无论有无阳光照射，均可不间断地收集人体微环境中的热能。
图4织物热电手环输出电压稳定性测试
采用13对p-n热电脚组装的织物热电手环在红外灯照射下，表现出良好的光热电转化效果，输出电压可达2mV左右。此外，在实际环境测试中，在阳光直接照射前后，织物热电手环的输出电压从0.083mV上升到0.677mV。而在收集人体热能时，输出电压可从0.007mV提升到0.187mV。由此可见所制备的织物热电手环可以收集人体微环境热能。此外，该织物热电手环输出电压表现出良好的稳定性（见图4）。
综上所述，制备的双壳结构PP-PEDOT-PPy热电织物，具有优异的热电、光热转化性能。以PP-PEDOT-PPy织物、PP-Ag织物和低热导率纺织基底组装的织物光热电手环，可以成功实现对人体微环境的热能收集和转化。这项工作表明，高柔性、低成本的光热电织物在可穿戴热电设备中具有潜在的应用前景。该研究得到国家自然科学基金、福建省自然科学基金和天津市自然科学基金的支持。论文的第一作者为天津工业大学纺织科学与工程学院张雪飞博士，天津工业大学李婷婷副教授、台湾逢甲大学林佳弘特聘教授和台湾亚洲大学楼静文特聘教授为论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、福建省自然科学基金和天津市自然科学基金的支持。
论文链接：https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c16401
