深圳大学陈光明/梁丽荣《Nano Energy》：PEDOT:PSS纤维基柔性热电器件

2022-08-07 来源：高分子科技

近十年来，有机热电（TE）材料（尤其是导电聚合物基TE材料）的研究取得了显著进展。其中，PEDOT:PSS具有独特的溶液可加工性和简便的溶剂处理等优点，可简便得到具有优异TE性能的PEDOT:PSS薄膜。与薄膜相比，纤维在开发设计结构复杂的TE器件方面具有更好的适应性，且在可穿戴TE织物领域具有明显优势。然而，迄今为止，简便安全的制备PEDOT:PSS纺丝液通过高效、快速的湿法纺丝工艺来制备兼具柔性和优异TE性能的PEDOT:PSS纤维，仍然是一个严峻挑战。

鉴于此，深圳大学陈光明特聘教授课题组采用简便的冷冻-解冻（FT）处理诱导PEDOT:PSS水分散液凝胶化，然后快速湿法纺丝，制备了高电导率（1013 ± 32 S cm^-1）的PEDOT:PSS柔性纤维，进而组装了柔性TE器件。该器件可以利用人体热或冰块低温与外界产生的温差产生稳定的电压。相关工作以“A PEDOT:PSS Thermoelectric Fiber Generator”为题近期发表在《Nano Energy》上。

文章亮点：

1. 通过简便、安全的冷冻-解冻法，诱导了PEDOT:PSS水分散液的凝胶化，进而制备纺丝液，再结合连续和快速的湿法纺丝工艺，高效制备了PEDOT:PSS柔性纤维，纺丝速度可达1037 mL h^-1，优于大多数文献中报道的纺丝速度。

图1. 纺丝液及其PEDOT:PSS纤维的制备

2. 通过冻融次数、针头长径比、纺丝速度与凝固浴类型等条件的优化，在最佳纺丝条件下所得PEDOT:PSS纤维的电导率达到1013 ± 32 S cm^-1, 优于大多数报道的湿纺PEDOT:PSS纤维，其功率因子为34 ± 2 μW m^-1 K^-2。另外，在一定的机械形变（缠绕或扭转）下，该纤维表现出稳定的TE性能。

图2. PEDOT:PSS纤维的TE性能及其稳定性

3. 基于该PEDOT:PSS纤维较高的机械柔性与TE性能，组装了柔性TE器件。不仅可以利用人体皮肤热量或冰块低温产生稳定的电压，而且在电压放大器辅助下点亮LED灯，表明其对多种应用场景具有良好的适应性。同时，该器件经过200次循环弯曲形变后，能狗提供稳定的能量输出，表明在自供电柔性/可穿戴电子方面具有潜在的应用价值。

图3. 柔性TE器件的输出性能及其稳定性

该论文的第一作者为深圳大学材料学院硕士研究生刘莉，通讯作者为深圳大学陈光明特聘教授，共同通讯作者为深圳大学梁丽荣助理教授和邓亮副研究员（现在美的集团），得到了UCLA陈俊教授的帮助。相关研究得到了深圳市基础研究项目（No. JCYJ20200109105604088）和国家自然科学基金（No. 51973122）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107678

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（责任编辑：xu）

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