随着柔性和可穿戴电子产品的快速发展，开发高效环保的自供能电源将进一步满足其日益多样化的需求。热能作为一种广泛存在的可持续能源尚未被有效利用和收集。其中，人体始终保持约 36 ?C 的表面温度，其与外界环境的温差将形成有效的热能供给源。热电器件（TEG）利用Seebeck效应可以实现热能和电能之间的直接转换，是一种极具潜力的长效稳定的电源。然而，当前基于有机/无机复合热电材料（尤其是薄膜材料）的TEG通常被组装成可利用面内温差的平面型结构（in-plane TEG），其温度梯度平行于TEG器件衬底的方向，这种平面型的TEG很难满足高效散热的要求，而且难以实现大面积热源的有效利用。相比之下，垂直型TEG（cross-plane TEG，温度梯度垂直于器件平面）可以方便利用大面积热源，并优化热传输效率。此外， TEG在实际应用中通常还会承受外部应力（拉伸、压缩、弯曲等），尤其作为可穿戴器件，应具有匹配适应人体运动的柔性和可拉伸性。因此，选择具有优异、稳定热电性能的热电材料并将其合理设计成柔性器件，有望促进其在自供能可穿戴应用的发展。

  鉴于此，澳门大学应用物理及材料工程研究院孙国星副教授、深圳大学材料学院陈光明特聘教授、刘卓鑫助理教授设计了一种基于PEDOT-Tos/Te/SWCNTs三元纳米复合材料柔性薄膜的具有可压缩、可拉伸、可穿戴特性的螺旋形结构热电器件。相关工作以“Initiating a stretchable, compressible and wearable thermoelectric generator by a spiral architecture with ternary nanocomposites for efficient heat harvesting”为题于近期发表在《Advanced Functional Materials》上。

文章亮点：

  1. 构筑具有独特层状结构的聚(3,4-乙烯二氧基噻吩)-tosylate/Te/单壁碳纳米管(PEDOT-Tos/Te/SWCNTs)三元纳米复合柔性薄膜，其最佳功率因子为131.9±8.5 μW m^-1 K^-2，约为纯PEDOT-Tos的120倍，并在一定的弯曲形变下表现出稳定的热电化学性能，具有较好的稳定性。

PEDOT-Tos/Te/SWCNTs三元复合柔性薄膜的制备及柔性表征

PEDOT-Tos/Te/SWCNTs三元复合柔性薄膜的热电性能

  2. 基于该三元纳米复合薄膜较高的机械柔性和热电性能，开发设计了一种三维螺旋型TEG，该螺旋型TEG既具有可拉伸、可压缩、可弯曲的特性，同时还可以利用垂直温差实现有效的热电转换。此外，该器件经过多次拉伸和压缩循环后，还能提供稳定的能量输出，在实际应用方面具有潜在的应用价值。

  3. 基于热电腿的类型（p-type leg, n-type leg）和数量（5p，10p，5pn），以及器件两端施加的温差（0-100 K）的不同，详细分析了三种TEGs（TEG-5p, TEG-10p, TEG-5pn）的输出性能。结果表明，TEG-5pn 具有较高的输出性能，温差为60 K和100 K时其功率密度分别为461.33 μW cm^-2 和 1422.22 μW cm^-2.

  4. 该螺旋型TEG不仅可以穿戴于手腕上收集人体热量，还可以固定于烧杯上利用其中热水或液氮与外界的温差发电。该结构设计用途广泛，为热电复合材料在柔性电子和可穿戴应用上提供了可行的借鉴思路。

TEG-5p和TEG-10p的热电输出性能

TEG-5pn的热电输出性能及其稳定性表征，三种TEGs的性能比较，及其实际应用探索

  该论文的第一作者为澳门大学应用物理及材料工程研究院博士生梁丽荣，通讯作者为孙国星副教授，共同通讯作者为深圳大学陈光明特聘教授、刘卓鑫助理教授。相关研究得到了由深圳市基础研究项目（No. JCYJ20200109105604088）、国家自然科学基金（No. 51973122）、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（港澳）（No.5212290021）、深港澳科技计划(c)（No. SGDX2020110309360）以及广东省高校优秀青年创新人才项目（No. 2020KQNCX061）的资助。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202111435