祝贺中国科学家研制出高性能塑料基热电材料

这一成果由中国科学院化学研究所朱道本/狄重安研究团队、北京航空航天大学赵立东课题组及国内外其他7个研究团队合作完成，相关论文“Multi-heterojunctioned plastics with high thermoelectric figure of merit”于2024年7月24日发表在Nature期刊上。论文通讯作者为中国科学院化学研究所狄重安研究员和北京航空航天大学赵立东教授，共同第一作者为中国科学院化学研究所王东洋博士、丁嘉敏博士和马英乔博士。

高性能热电材料应具有高塞贝克系数、高电导率和低热导率，满足“声子玻璃-电子晶体”模型。科学界普遍认为，聚合物具备声子玻璃特征，从而具有本征低热导率。基于此，高性能有机热电材料的现有主要研究路径是通过分子创制、组装和掺杂调控塞贝克系数、电导率及其制约关系。尽管人们通过热导率表征评估了有机材料的热电优值，但缺乏热输运性质的调控策略，相应体系的热电优值在过去十余年内没有显著提升。到目前为止，现有聚合物材料的室温区热电优值一直停留在0.5附近，远低于商品化无机热电材料的性能。研究团队利用PDPPSe-12和PBTTT两种聚合物，结合分子交联方法，构筑了具有不同结构特征的PMHJ薄膜，揭示了其热导率的尺寸效应和界面漫反射效应。研究发现，当每种聚合物的厚度接近共轭骨架的“声子”平均自由程时，界面散射明显增强，薄膜的晶格热导率降低70%以上，达到0.1 W m^-1 K^-1。此外，掺杂态（6,4,4）PMHJ薄膜展现出优异的电输运性质，功率因子高达628 μW m^-1 K^-2，368 K下的热电优值为1.28，达到商品化材料的室温区热电性能水平，带动塑料基热电材料步入ZT>1.0时代。此外，PMHJ结构具有优异的普适性，其加工方式与溶液法制备技术兼容，在柔性供能器件方面具有重要应用潜力。