便携设备与传感器的协同实现了对人体健康与活动的远程持续监测，有力支撑了物联网在健康领域的发展。然而，随着传感器功能不断强化，其功耗急剧攀升，而电池容量受物理极限制约，导致设备需频繁充电，严重影响了数据采集的连续性。基于塞贝克效应的可穿戴热电发电机(TEG)能够将人体散发的热量直接转换为电能，为低功耗传感器提供持续电力，逐渐成为构建自供电系统的理想途径之一。然而，现有TEG普遍存在热电转换效率低、穿戴热舒适性差的核心瓶颈，严重限制了其实际应用。因此，发展兼具高效热能收集与零能耗个人热管理(PTM)功能的新一代可穿戴TEG器件，已成为突破该技术应用障碍、推动自供电电子发展的关键方向。
近期，为攻克可穿戴TEG器件面临的热电转换效率低与热舒适性差的双重挑战，北京航空航天大学潘曹峰教授/河南大学曹瑞瑞副教授团队通过材料-结构-工艺的协同创新，成功构筑了一种集成相变热调节与热电转换功能的可拉伸热电纱线(STRTEYs)，为发展新一代自适应、自供电的可穿戴系统提供了全新的解决方案。
该工作以“All-In-One Flexible Thermoelectric Yarns for IntegratedEnergy Harvesting, Adaptive Personal ThermalManagement, and Self-Powered Sensing”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。该研究获得了国家自然科学基金及中央高校基本科研业务费专项资金的支持。
该工作的核心创新在于，首创性地将同轴静电纺丝与凝固浴湿纺技术结合，构筑了具有“相变材料热缓冲芯层-SWCNT/PEDOT:PSS热电功能层-聚氨酯柔性封装皮层”多级皮芯结构的复合纱线。其中，相变材料通过可逆的固-液相变高效缓冲局部温度波动，不仅显著提升了穿戴热舒适性，更有助于维持热电材料两端的稳定温差，从而协同增强了持续发电能力。
该策略不仅实现了潜热储存(110 J/g)与热电转换(PF高达6.77 μW/(m K2))的功能一体化，更通过凝固浴中的静电自组装效应精细调控了导电通路，在保证高塞贝克系数(46 μV/K)的同时获得了显著提升的电导率(32 S/cm)，其性能优于近期同类报道。值得注意的是，通过高效的相变潜热管理，STRTEYs将有效热电输出持续时间显著延长了约393秒，有力印证了相变热调节与能量收集之间的协同增效机制。与此同时，该纱线对微小温差表现出高灵敏度(0.32℃)，具备优异的长期稳定性(存放5个月后塞贝克系数保持45.85 μV/K)、机械柔韧性(应变>140%)与循环稳定性(100次热循环后性能保持率>99%)。
图1多功能STRTEYs的制造工艺、结构构造和工作机理示意图
图2 STRTEYs试样的形貌、化学结构以及热电性能参数的系统表征
图3 STRTEYs器件相变热调节特性与热能收集特性的有效整合与协同提升
图4 STRTEYs在自供电呼吸监测、体温预警及可编程热触控界面等多场景应用探索
该研究进一步演示了多功能STRTEYs纱线在自供电呼吸监测、体温预警及可编程热触控界面等多场景应用，实现了从能量收集、热舒适管理到生理信息传感的无缝集成。本研究的科学价值在于，突破了传统TEG单一能量采集的局限，建立了“热管理-热电转换-信号感知”多物理场耦合的新范式，为面向物联网与个性化医疗的下一代舒适型自供电器件奠定了材料与器件基础。
通讯作者简介：
潘曹峰，北京航空航天大学蓝天杰出教授，博士生导师，国家杰青。2005、2010年分别于清华大学材料科学与工程学院获学士、博士学位，2012年获全国优秀博士学位论文奖。其后于美国佐治亚理工学院材料科学与工程学院进行博士后研究。2013-2023年任中国科学院大学/北京纳米能源与系统研究所研究员。主要从事低维半导体传感材料与器件应用研究。在Nat. Photon.、Nat. Comm.、Adv. Mater.、Chem. Rev.、Adv. Energy Mater.等期刊上发表SCI论文350余篇，引用34000余次，H因子103，20余成果入选“中国百篇最具影响力国际学术论文”和“ESI高被引论文”，授权美国专利3项，中国专利40余项。2021年获得国家杰出青年科学基金、2016年获得国家优秀青年科学基金等资助，并先后入选中组部QR计划青年项目(2014)、北京市海聚计划(2015)、科睿唯安高被引科学家等；主持国家重点研发专项(传感器专项)，国家重点研发专项课题(纳米专项)，国家自然基金杰出青年基金、优秀青年基金、原创重点、联合重点，北京市科技创新计划和自然基金重点项目，中科院院长基金等。现任国际期刊Sci. Bull.和Nanotechnology副主编，中国材料学会交叉分会副理事长、智能传感功能材料与器件分会常务理事与纳米材料与器件分会理事。
曹瑞瑞，河南大学副教授、博士/硕士生导师，主要从事聚合物PCM、柔性能源器件及智能纺织品研究。2014~2019年，申请人在天津工业大学张兴祥教授课题组攻读博士学位，期间主要开展“氧化石墨烯/石墨烯/碳纳米管改性聚合物相变材料及其纤维应用”相关研究，并荣获天津市优秀博士学位论文。2019年7月加入河南大学光伏材料省重点实验室(现未来技术学院)，主要聚焦于智能高分子材料研发、功能纺织品设计及柔性能源器件相关领域；同期在北京航空航天大学潘曹峰教授课题组围绕低维半导体传感材料与器件应用开展合作研究。近五年，以第一作者和通讯作者身份在Adv. Funct. Mater.(3)、Energy Storage Mater.、Nano Energy (2)、Nano Today等期刊上发表论文20余篇，授权国家发明专利4项，主持完成国家级、省部级等项目8项。现为国际期刊Rare Metals青年编委。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202525233
