在全球能源转型背景下,如何高效回收利用废热资源成为重要课题。
据统计,人类活动产生的能源中超过60%以废热形式散失,而传统无机热电材料虽性能优异,却存在成本高、刚性大等应用局限。
柔性有机热电材料因其轻质、可弯曲等特性被视为理想解决方案,但长期受限于"声子-声子耦合"这一材料科学难题——即难以同时实现高电导率和低热导率。
研究团队创新提出"无序—有序"协同调控理念,通过模拟"崎岖山路修高速"的物理模型,在材料内部构建特殊结构:无序孔洞阻碍热量传导,有序分子通道保障电子传输。
这种设计思路突破了传统认知,在弱相互作用的有机材料中实现了电-热输运的解耦控制。
技术实现上,团队采用聚合物相分离方法,通过精确控制两种高分子材料的配比与分离过程,使导电聚合物在纳米尺度形成有序排列。
这种"限域效应"不仅提升了载流子迁移率52%,更使材料热导率降至0.16W·m-1·K-1,较传统材料降低72%。
最终获得的IHP-TEP薄膜功率因子达772μW·m-1·K-2,zT值1.64的突破性表现,使有机材料首次超越部分无机材料性能。
该成果的应用前景广阔。
相较于需要复杂工艺的传统制备方法,新材料可采用喷涂技术实现大面积生产,成本优势显著。
未来有望集成至服装面料制成自供电可穿戴设备,或应用于工业管道废热回收、建筑节能等领域。
据估算,若将全球10%的低品位废热转化为电能,年发电量将超过目前核电总容量。
材料科学专家指出,这项研究不仅提供了具体的材料解决方案,更建立了软物质热电材料的系统研究范式。
其揭示的"结构—性能"关系规律,为后续开发更高性能的绿色能源材料指明了方向。
能源革命的深入推进,既需要开源,也需要节流。
将散失的废热转化为可用电能,体现了资源循环利用的发展理念。
此次我国科学家在有机热电材料领域取得的突破,不仅展现了基础研究的创新活力,更为绿色低碳技术发展注入了新动能。
随着材料性能的持续优化和制备工艺的不断成熟,热电转换技术有望在更广泛领域发挥作用,为实现碳达峰碳中和目标贡献科技力量。
从实验室到产业化,从概念验证到规模应用,中国科学家正在用扎实的研究成果,书写能源技术变革的新篇章。