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南京郵電大學(xué)李佳慧、謝燕楠、UCLA陳俊教授《ACS Nano》 ：三維互連多孔網(wǎng)絡(luò)的可拉伸熱電纖維 - 用于身體低級熱能收集
2023-10-01  來源：高分子科技

  得益于可穿戴生物電子設(shè)備的普及，當(dāng)前的醫(yī)療保健系統(tǒng)正從以疾病為中心的反應(yīng)性模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐灶A(yù)防和促進健康為重點的個性化模式，但用于可穿戴電子生物設(shè)備的可持續(xù)驅(qū)動仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。人體可連續(xù)輸出40 mW cm?2的熱量，因此與周圍環(huán)境始終存在5 ~ 40K左右的溫差。大量具有研究前景的熱電可穿戴設(shè)備已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于綠色能源回收，并且和無處不在的傳感器相連。但現(xiàn)有熱電纖維大多為p型材料，且材料電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)及熱導(dǎo)率耦合嚴重，力學(xué)穩(wěn)定性等方面仍都面臨巨大挑戰(zhàn)。



  南京郵電大學(xué)李佳慧、謝燕楠、UCLA陳俊教授提出采用濕法紡絲構(gòu)建基于二維Ti3C2TxMXene納米片和聚氨酯 PU復(fù)合的可拉伸 n 型熱電MP纖維。所提出的纖維采用 3D 互連多孔網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，可同時實現(xiàn)令人滿意的導(dǎo)電性 (σ)、導(dǎo)熱性 (κ) 和可穿戴拉伸性。研究系統(tǒng)地優(yōu)化了 MP 纖維的熱電和機械特性，MP-60（MXene 含量為 60 wt%）表現(xiàn)出 1.25 × 103 S m–1的高 σ，n 型塞貝克系數(shù)為-8.3 μV K –1，并且 κ 非常低，為 0.19 W m –1 K –1。此外，MP-60纖維具有良好的拉伸性和機械強度，拉伸應(yīng)變?yōu)?/span>434%，斷裂應(yīng)力為11.8 MPa。在實際應(yīng)用中，基于 MP-60 纖維構(gòu)建了紡織熱電發(fā)電機，電壓達到 3.6 mV，人體皮膚和周圍環(huán)境之間存在溫度梯度，凸顯了低品位人體熱能收集的巨大潛力。


圖1.用于低品位能量收集的熱電纖維。(a)人體與周圍環(huán)境溫差示意圖。(b)用于三維納米結(jié)構(gòu)的二維層狀材料和可穿戴熱電發(fā)電機的潛在改進。(c) MP漿體數(shù)字圖像。(d)濕紡法制備多孔纖維工藝示意圖。(e)多孔MP纖維微結(jié)構(gòu)中電子傳遞的結(jié)構(gòu)圖。(f)不同MXene含量的MP纖維的拉伸應(yīng)變應(yīng)力曲線。插圖給出了MP-60纖維以不同伸長率(100%，200%和300%)拉伸的數(shù)字圖像。(g)多孔MP-60混合纖維舉起100g重物的光學(xué)圖像。(h)二維Ti3C2Tx MXene熱電纖維與以往二維Ti3C2Tx mxe熱電材料性能對比雷達圖。 


圖2.Ti3C2Tx MXene NFs和MP纖維的材料特性。(a)構(gòu)建多孔MP纖維濕紡工藝的示意圖和(b)混凝界面。(c)二維Ti3C2Tx NFs的AFM圖像。插入的高度曲線為NF厚度沿黑線的截面圖。(d) MP混合漿的STEM元素(?C，?O，?F和?Ti)映射。(e)掃描電鏡圖像顯示MP纖維中均勻而稀疏的多孔結(jié)構(gòu)。(f) Ti3C2Tx和MP雜化材料的C 1s， (g) O 1s和(h) F 1s核能級XPS光譜。 


圖3。MP纖維和熱電發(fā)電機的熱電性能。(a) MXene含量(wt %)為40% ~ 100%的MP纖維的電導(dǎo)率(σ)， (b)塞貝克系數(shù)(S)， (c)功率因數(shù)(PF =σS2)。(d) MP-60纖維和純MXene纖維在330 K加熱板上隨時間變化的溫度差。器件在50 K溫度梯度時的開路電壓(e)和不同溫度梯度時的開路電壓(f)。(g)在ΔT = 10、30、50、70、90 K時，熱電器件的電壓和輸出功率隨電流的變化關(guān)系。(h)溫差為50k時的負載電壓和電流(i)負載電壓和電流隨溫度梯度的函數(shù)。(j)熱電發(fā)電機的最大功率輸出與溫度梯度的關(guān)系 

圖4.可拉伸紡織熱電發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與性能。(a)可穿戴紡織熱電發(fā)電機的紅外數(shù)字圖像。(b, c)可穿戴織物熱電發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖和截面示意圖。織物熱電發(fā)電機(d)有和沒有絕緣PE泡沫和(e)集成在織物中的8,16和24mp熱電單元的隨時間變化的輸出電壓。(f)織物熱電發(fā)電機在不同ΔT值下的輸出電壓。


  該研究以題為“Stretchable Thermoelectric Fibers with Three-Dimensional Interconnected Porous Network for Low-Grade Body Heat Energy Harvesting”的論文發(fā)表在最新一期《ACS Nano》上。南京郵電大學(xué)李佳慧副教授、碩士生夏白露和博士生肖瀟為論文共同第一作者，謝燕楠和陳俊教授為共同通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05797

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