武汉纺织大学王栋教授团队 AFM：具有协同增强机械及热电性能的有机/无机杂化离子凝胶纤维

2024-09-28 来源：高分子科技

可穿戴设备的快速发展促进了纤维材料在电子设备中的应用。作为人们日常生活不可缺少的基础材料，纤维被认为是制备可穿戴电子产品的理想载体。利用纤维制成的电子器件除了具有重量轻、柔软、顺应、佩戴舒适等优点外，还可以通过编织技术构建多种结构，为其多场景应用和大规模制备提供了可能。其中，能够收集人体废热并将其转化为电能的纤维基热电（TE）设备受到广泛关注，对可持续发展具有重要意义。与电子热电材料相比，离子热电材料（i-TE）具有较高的热电压，近年来发展迅速。其中，由离子液体（IL）和固态网络组成的准固态离子凝胶具有高柔韧、非挥发、热稳定和化学稳定等优点，受到越来越多的关注。然而，构筑具有协同增强的机械和热电性能的离子凝胶纤维仍然存在很大挑战。针对上述问题，武汉纺织大学纺织纤维及制品教育部重点实验室王栋、李沐芳教授提出了一种反溶剂-掺杂-杂化协同策略来调节离子凝胶的固态网络结构及离子迁移率，大幅提高了热电及机械性能，并基于此构筑了可穿戴的i-TE器件，为可穿戴供能设备的开发提供新思路。该工作以“Organic/Inorganic Hybrid Ionogel Fiber with Synergistically Enhanced Mechanical and Ionic Thermoelectric Performances”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

图1 PH/ED-E-Na-SiO₂杂化离子凝胶的结构示意图和性能增强机制。

图2 SiO₂浓度及湿度对 PH/ED-E-Na-SiO₂离子凝胶电导率、塞贝克系数、功率因数的影响

PVDF-HFP/EMIM:DCA/NaTFSI/SiO₂（PH/ED-E-Na-SiO₂）杂化离子凝胶的结构示意图和性能增强机制如图1所示。乙醇为PVDF-HFP溶液的反溶剂，它的添加可以促使分子链在溶液中收缩并减小晶粒尺寸，从而降低PVDF-HFP的结晶度。较低的结晶度有利于促进离子迁移并提高离子电导率。NaTFSI掺杂会增加阳离子和阴离子之间的扩散差，这是因为Na⁺与DCA^-之间存在较强的库仑吸引力，从而降低DCA^-的迁移率，增加阴阳离子的扩散差，提高离子塞贝克系数。此外，SiO₂纳米颗粒的添加可形成有机-无机杂化网络，其对离子凝胶性能的影响如下：一方面，SiO₂和PVDF-HFP分子链之间的氢键作用可显著提高离子凝胶的机械性能及热稳定性；同时，SiO₂的加入会导致PVDF-HFP的结晶度进一步下降，从而增加离子电导率；第三，SiO₂纳米颗粒和DCA^-之间的相互作用可进一步促进阴阳离子的解离、迁移和扩散差异，从而显着增强离子电导率和塞贝克系数。因此，利用此策略构筑的PH/ED-E-Na-SiO₂杂化电离凝胶表现出协同增强的机械性能及热电性能。在90%相对湿度下，PH/ED-E-Na-SiO₂离子凝胶的离子塞贝克系数为47.5 mV K^-1，离子电导率为43.7 mS cm^-1，相应的功率因数高达9845.8 μW m^-1 K^-2（图2）。

图3 PH/ED-E-Na-SiO₂离子凝胶纤维的结构、性能及工作机制

图4 PH/ED-E-Na-SiO₂离子凝胶纤维基i-TE器件的结构及性能

基于此，通过涂层技术制备了PH/ED-E-Na-SiO₂离子凝胶纤维（图3）。与离子凝胶薄膜相比，离子凝胶纤维表现出同样优异的离子热电性能，且拉伸强度和应变显著提高至17.7 MPa和70%。利用此离子凝胶纤维，通过编织技术制备的可穿戴i-TE器件表现出优异的穿戴舒适性和稳定性（图4）。将此i-TE器件佩戴在手臂上，利用人体与环境的温差（?T=2.6 K）可产生284 mV的热电压，并通过电路设计成功点亮了LED灯泡，展示了其作为可穿戴供能设备的潜在应用价值。

全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202415856

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