南京邮电大学李佳慧、谢燕楠、UCLA陈俊教授《ACS Nano》：三维互连多孔网络的可拉伸热电纤维

南京邮电大学李佳慧、谢燕楠、UCLA陈俊教授《ACS Nano》：三维互连多孔网络的可拉伸热电纤维 - 用于身体低级热能收集

2023-10-01 来源：高分子科技

得益于可穿戴生物电子设备的普及，当前的医疗保健系统正从以疾病为中心的反应性模式转变为以预防和促进健康为重点的个性化模式，但用于可穿戴电子生物设备的可持续驱动仍然是一个很大的挑战。人体可连续输出40 mW cm^?2的热量，因此与周围环境始终存在5 ~ 40K左右的温差。大量具有研究前景的热电可穿戴设备已经被广泛的应用于绿色能源回收，并且和无处不在的传感器相连。但现有热电纤维大多为p型材料，且材料电导率、塞贝克系数及热导率耦合严重，力学稳定性等方面仍都面临巨大挑战。

南京邮电大学李佳慧、谢燕楠、UCLA陈俊教授提出采用湿法纺丝构建基于二维Ti₃C₂T_xMXene纳米片和聚氨酯 PU复合的可拉伸 n 型热电MP纤维。所提出的纤维采用 3D 互连多孔网络设计，可同时实现令人满意的导电性 (σ)、导热性 (κ) 和可穿戴拉伸性。研究系统地优化了 MP 纤维的热电和机械特性，MP-60（MXene 含量为 60 wt%）表现出 1.25 × 10³ S m^–1的高 σ，n 型塞贝克系数为-8.3 μV K^–1，并且 κ 非常低，为 0.19 W m ^–1 K ^–1。此外，MP-60纤维具有良好的拉伸性和机械强度，拉伸应变为434%，断裂应力为11.8 MPa。在实际应用中，基于 MP-60 纤维构建了纺织热电发电机，电压达到 3.6 mV，人体皮肤和周围环境之间存在温度梯度，凸显了低品位人体热能收集的巨大潜力。

图1.用于低品位能量收集的热电纤维。(a)人体与周围环境温差示意图。(b)用于三维纳米结构的二维层状材料和可穿戴热电发电机的潜在改进。(c) MP浆体数字图像。(d)湿纺法制备多孔纤维工艺示意图。(e)多孔MP纤维微结构中电子传递的结构图。(f)不同MXene含量的MP纤维的拉伸应变应力曲线。插图给出了MP-60纤维以不同伸长率(100%，200%和300%)拉伸的数字图像。(g)多孔MP-60混合纤维举起100g重物的光学图像。(h)二维Ti₃C₂T_x MXene热电纤维与以往二维Ti3C2Tx mxe热电材料性能对比雷达图。

图2.Ti₃C₂T_x MXene NFs和MP纤维的材料特性。(a)构建多孔MP纤维湿纺工艺的示意图和(b)混凝界面。(c)二维Ti₃C₂T_xNFs的AFM图像。插入的高度曲线为NF厚度沿黑线的截面图。(d) MP混合浆的STEM元素(?C，?O，?F和?Ti)映射。(e)扫描电镜图像显示MP纤维中均匀而稀疏的多孔结构。(f) Ti₃C₂T_x和MP杂化材料的C 1s， (g) O 1s和(h) F 1s核能级XPS光谱。

图3。MP纤维和热电发电机的热电性能。(a) MXene含量(wt %)为40% ~ 100%的MP纤维的电导率(σ)， (b)塞贝克系数(S)， (c)功率因数(PF =σS²)。(d) MP-60纤维和纯MXene纤维在330 K加热板上随时间变化的温度差。器件在50 K温度梯度时的开路电压(e)和不同温度梯度时的开路电压(f)。(g)在ΔT = 10、30、50、70、90 K时，热电器件的电压和输出功率随电流的变化关系。(h)温差为50k时的负载电压和电流(i)负载电压和电流随温度梯度的函数。(j)热电发电机的最大功率输出与温度梯度的关系

图4.可拉伸纺织热电发电机的结构与性能。(a)可穿戴纺织热电发电机的红外数字图像。(b, c)可穿戴织物热电发电机的结构示意图和截面示意图。织物热电发电机(d)有和没有绝缘PE泡沫和(e)集成在织物中的8,16和24mp热电单元的随时间变化的输出电压。(f)织物热电发电机在不同ΔT值下的输出电压。

该研究以题为“Stretchable Thermoelectric Fibers with Three-Dimensional Interconnected Porous Network for Low-Grade Body Heat Energy Harvesting”的论文发表在最新一期《ACS Nano》上。南京邮电大学李佳慧副教授、硕士生夏白露和博士生肖潇为论文共同第一作者，谢燕楠和陈俊教授为共同通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05797

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（责任编辑：xu）

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