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      科學研究

      機電工程學院青年教師安盟在《Nature Communications》發表全固態離子熱電研究進展論文

      2022-01-14 08:22 文、圖/機電學院 點擊:[]

      2022年1月11日,機電工程學院安盟副教授相關研究成果以“Selectively Tuning Ionic Thermopower in All-Solid-State Flexible Polymer Composites for Thermal Sensing”為題,在線發表于Nature Communications期刊上。

      《Nature Communications》是國際頂級學術期刊《Nature》發行的子刊(自然指數期刊),內容涉及自然科學所有領域,是國際頂級綜合性期刊,發表的論文不僅對某一專業領域有重要的理論或應用價值,還要求能引起廣泛的科學興趣,有利于推動其它領域的創新和發展。該文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-27885-2。

      安盟與清華大學張興教授、馬維剛副教授、香港科技大學黃寶陵副教授等課題組合作,提出了選擇性調控全固態離子熱電P/N型的機制和實現了寬調控范圍,并開發出優異響應特性的無接觸式熱傳感器。該研究對離子熱電關鍵參數調控和新型離子熱電材料開發具有重要的指導意義,為基于離子熱電效應的器件設計與開發提供了新范式。

      近年來,以離子為載流子的塞貝克效應為開發高性能熱電器件開辟了全新途徑,然而,當前的離子熱電材料依然受到各種因素限制,存在一些難以克服的瓶頸,例如離子熱電材料多以含有水溶液的凝膠為主,液體容易蒸發或泄漏,導致其穩定性欠佳,且離子熱電材料以P型為主,可選擇的N型材料種類非常有限。目前尚缺乏針對全固態聚合物離子型熱電材料P-N型轉換的普適性機理,選擇性調控特定離子在全固態聚合物中的熱輸運過程異常困難,因此極大地限制了離子熱電的實際應用。

      全固態離子熱電材料P-N型熱電性能

      (a) P-N型轉換調控示意圖,(b)電壓響應方向對比圖,(c)P型至N型塞貝克系數變化圖,(d)P型和N型離子產生熵變圖,(e)已報道的P-N型塞貝克系數范圍對比圖。

      本研究首先設計和開發出具有高塞貝克系數的P型(20 mV K-1)全固態柔性離子熱電復合材料(PVDF-HFP/NaTFSI/PC),并且具有良好的機械強度和穩定性。通過引入強電負性三(五氟苯基)硼烷(TPFPB)分子,有效地抑制了陽離子在聚合物中的輸運,成功將該P型復合材料轉換至N型,塞貝克系數可調控至-6 mV K-1。通過傅里葉變換紅外和拉曼光譜等實驗表征并結合分子動力學模擬,研究人員系統研究了不同離子濃度、濕度對離子熱電性能關鍵參數的影響及其耦合關系,發現材料的P/N型屬性與陰、陽離子產生的伊士曼熵變絕對值具有緊密聯系,當陽離子產生的熵變值高于陰離子時,復合材料表現為P型,反之為N型。對揭示全固態聚合物離子熱電材料P-N型轉換的物理機制具有重要意義。

      研究人員開發了基于離子熱電效應的無接觸式自供電熱智能探測器,在較寬的光、熱刺激范圍內展現出優異的響應特性、可重復性和高靈敏度。同時,研究人員開發出由13對P-N熱電臂組成的平面式熱傳感器,該傳感器在10K溫差下可產生2.5V電壓且具備高穩定性。

      基于離子熱電效應的應用展示

      (a) 離子熱電發電機,(b)離子熱電探測器,(c)發電機在不同溫差下的響應結果,(d)熱探測器在不同熱源下的響應,(e)無接觸式自反饋控制圖。

      安盟為論文的共同第一作者(排序第二),我校為第二署名單位。清華大學博士后赤騁為文章的共同第一作者(排序第一)。清華大學馬維剛、香港科技大學黃寶陵為該文章的共同通訊作者。合作者包括美國伍斯特理工學院王巖教授、張瑞寒博士,澳大利亞昆士蘭大學巴里斯·德米爾(Baris Demir)特聘研究員等。該研究成果得到了國家自然科學基金委、中國博士后科學基金會等項目的資助。

      現任機電工程學院過程裝備與控制工程教研室副主任的安盟是學校引進的高水平博士,入校幾年來主要從事微納尺度熱能轉換與利用的相關研究,主持國家自然科學基金青年項目、博士后特別資助和面上項目、陜西省青年基金和陜西省青年創新團隊項目等基礎研究項目7項,擔任了Frontiers in Mechanical Engineering客座編輯,是清華大學在職博士后,去年底,獲評為日本學術振興會JSPS Fellowship、陜西省青年科技新星。

      (核稿:夏祥林 編輯:王舒婷)

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