《AFM》1秒自修復(fù)！可伸縮！可3D打印的有機(jī)熱電體！

來源：高分子科學(xué)前沿

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，人類對于可穿戴設(shè)備需求不斷增加，電子電氣產(chǎn)品也在迅速轉(zhuǎn)型，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。相較于傳統(tǒng)的脆性無機(jī)材料，有機(jī)材料，特別是聚合物材料由于其本身的柔韌性，適用于制造包括可伸縮邏輯器件、生物傳感器和電子皮膚在內(nèi)的一系列新型可穿戴設(shè)備。然而，上述設(shè)備在使用過程中仍需搭配能量收集裝置，例如可穿戴式熱電發(fā)電機(jī)（Thermoelectric Generators, TEGs），在于人體接觸時可將熱量轉(zhuǎn)化為電能。

目前報道的TEGs器件雖具有較高的熱電性能指標(biāo)，但由于其本身的伸縮性能有限，導(dǎo)致在長期連續(xù)的外力作用下將產(chǎn)生局部缺陷，導(dǎo)致熱電性能退化。此外，熱電材料在使用過程中存在一定的斷裂損壞風(fēng)險，因此賦予材料快速響應(yīng)自修復(fù)性能顯得尤為關(guān)鍵，可通過動態(tài)鍵合（氫鍵、共價鍵、離子鍵等）實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的TEGs制備常采用卷對卷印刷工藝，對于構(gòu)筑隨機(jī)形狀的三維物體仍有一定的局限性，可引入3D打印技術(shù)加以優(yōu)化。

基于此背景，近日，阿卜杜拉國王科技大學(xué)的Derya Baran教授團(tuán)隊在材料科學(xué)領(lǐng)域著名刊物《Advanced Functional Materials》上發(fā)表了名為“Self-Healing and Stretchable 3D-Printed Organic Thermoelectrics”的論文。研究者將聚3,4-亞乙基二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS），Triton X-100，DMSO三種物質(zhì)溶液共混，在基底上涂敷，加熱揮干溶劑，再緩慢退火得到三元復(fù)合薄膜，再從基底上分離得到自支撐的薄膜，其組分結(jié)構(gòu)和制備工藝如圖1所示，其中，PEDOT:PSS為一種P型熱電體，Triton X-100作為一種表面活性劑可通過氫鍵作用實(shí)現(xiàn)自修復(fù)效果，DMSO為導(dǎo)電增強(qiáng)劑。

圖1. 三元熱電復(fù)合薄膜的組成及其制備示意圖.

研究者對三元復(fù)合薄膜的自修復(fù)、伸縮和導(dǎo)電性能進(jìn)行表征，如圖2a和b所示，三元復(fù)合薄膜在外力作用下具有明顯的可伸縮特性，應(yīng)變量最高可達(dá)30%以上。當(dāng)薄膜中未添加可自修復(fù)組分（Triton X-100）時，材料并不具備自修復(fù)特性，在結(jié)構(gòu)被破壞后導(dǎo)電性能無法恢復(fù)如初，如圖2c所示。值得注意的是，三元復(fù)合薄膜在被刮刀完全切斷后能在1s左右實(shí)現(xiàn)自修復(fù)，恢復(fù)原有的導(dǎo)電性能，當(dāng)將其接入電路中，甚至觀測不到LED燈瞬間的熄滅，證實(shí)了其優(yōu)異的自修復(fù)性質(zhì)，如圖2d和e所示。

圖2. 三元熱電復(fù)合薄膜的自修復(fù)、伸縮和導(dǎo)電性能測試.

研究者進(jìn)一步通過3D打印技術(shù)制備了由三元復(fù)合材料陣列組成的TEGs器件，如圖3所示，結(jié)果表明，在通電情況下，TEGs器件可提供最大為12.2nw的功率輸出，升溫明顯，同時即使在多次切割之后，器件仍能保持超過85%的原始輸出功率。

圖3. 基于三元復(fù)合材料的3D打印TEGs器件的熱電性能研究.

研究者通過手部的溫度檢測到TEGs器件能產(chǎn)生0.6 mV的穩(wěn)定電壓輸出，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)了柔性可穿戴及熱電轉(zhuǎn)換，揭示了該TEGs器件在可穿戴能源收集裝置領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值。

圖4. 柔性可穿戴熱電體利用人體溫度進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換.

該研究工作報道了一種高性能的三元有機(jī)熱電體，其在形變過程中具有穩(wěn)定的熱電性能，拉伸應(yīng)變可達(dá)35%。更為重要的是，復(fù)合薄膜在被完全切斷后，僅需要大約1秒即可自修復(fù)恢復(fù)其熱電性能。即使經(jīng)過反復(fù)切割和自修復(fù)，也能保持85%以上的初始功率輸出。此外，該復(fù)合材料的制備方式極其簡單，可利用3D打印獲得柔性器件，未來有望應(yīng)用于制造可穿戴熱電發(fā)電機(jī)。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201905426