瞿金平院士/卢翔副教授团队《Adv. Sci.》: 相变反馈和简单折纸策略提升发电和电磁屏蔽效率

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随着全球社会对碳排放的限制，太阳能因其巨大的总量及可持续性获得了广泛的关注，将太阳能高效转化为电能是解决碳排放重要的方法之一。太阳能转换为电能的方法主要有两种：第一种是通过光伏电池将太阳能直接转化为电能，如钙钛矿太阳能电池、有机太阳能电池等；另一种方法是将太阳能转化为热能，然后通过热电装置将热能转化为电能。第二种方法简单方便，只需要温度梯度就可以发电，因此被广泛用于航空航天、人体等领域。在光热电转换的基础上，高品位电能的产生需要高的转换效率。虽然热电材料在过去30年取得了前所未有的发展，总的热电转换效率仍然很低，开发一种新的策略来提高从能源到电力的总转换效率具有重要的意义。另一方面，热电器件总是被应用于先进的低能耗电子产品（如自供电联网设备、柔性电子产品等）。这些设备总是暴露在巨大的电磁干扰（EMI）之下，容易出现性能和可靠性下降的情况。因此，开发高电磁屏蔽，同时基于传统热电器件提升发电质量和光热电转换效率的材料具有广阔的应用前景。

基于此，华中科技大学化学与化工学院卢翔副教授/瞿金平院士团队在Advanced Science上发表了题为“Upgrading electricity generation and electromagnetic interference shielding efficiency via phase-change feedback and simple origami strategy”的论文。他们首次采用了一种简单的折纸策略来制备柔性多层相变膜（PCF）。以柔性乙烯-醋酸乙烯/石蜡（EVA/PW）薄膜作为相变层，以MXene/Fe₃O₄双层作为光热和电磁屏蔽层，制备了一系列的PCFs（图1）。该PCFs在多次折叠后保持了良好的柔韧性，并能在光热电转换中提供稳定而快速的热能。其光热电发电功率输出高达138mW，其能量密度（55.2 W/m²）远高于以往同类型的材料。其中，该研究首次发现相变过程可以辅助提升产生的电力的品级。而且，在传统热电装置的基础上，光热电转换的总效率提高了11.3%。这一发现对于有效利用太阳能和热电转换至关重要。另一方面，通过简单的折纸工艺，PCFs的电磁屏蔽效率可以从39.2dB调整到71.9dB。总的来说，本文为多功能材料的制备提供了一种新的策略，采用PCFs作为光收集器，大大提升了产生的电力和光热电转换效率。PCFs在EMI屏蔽、能量储存和转换方面显示出广阔的应用前景。

该材料的制备主要分为三个步骤（1）在挤出机中将石蜡和EVA挤出形成长的片段；（2）片段被多巴胺包覆后，被喷涂上MXene（4 %）和四氧化三铁（1%，2%，4%）涂层；（3）通过折叠的方式制备多层复合材料。

图1. 多层复合相变材料的制备过程。

通过简单的折纸工艺获得的多层 PCFs 的 EMI 屏蔽效率分别为51.6、68.1和71.9 dB，随着材料层数的增加而提高。值得注意的是，PCFs 的 EMI 屏蔽效率可以在 39.2 到 71.9 dB 的宽范围内调整，在不同的场合表现出极大的适用性。此外，PCFs以低含量的填充物 (8 wt%)获得了极高的电磁屏蔽效率 (71.9 dB)。与报道过的具有不同 MXene 含量的电磁屏蔽纳米复合材料相比，该材料具有更高和更宽范围的可调谐电磁屏蔽效率。

图2. 多层复合相变材料的电磁屏蔽效率及机理。

另一方面，该材料在光热电转换方面也具有优异的性能。间歇的模拟太阳光被应用于光热电转换中。U-I 曲线显示，PCF 能够显著提高电流、电压和功率输出。具体来说，基于 PCF 的光热电器件产生的平均电压和电流分别为 236.1 mV 和 136.5 mA，而基于对照组的器件仅为 185.5 mV 和 110.3 mA。平均电压和电流输出均得到明显提高。此外，对于持续电压和电流，基于PCF的电压实现了42.3倍的提升，电流从970 mA提高到46.1 mA（高达47.5倍），发电品位明显提升。更重要的是，输出功率密度，提高了 2010 倍（从 2.01 µW 提高到 4.04 mW）。同时，光热电转换效率提升了11.3%，这种提升可以扩展到其他基于热电效应的组件中。对于提升越来越困难的热电组件来说，是一种非常有前景的策略。

图3. 基于传统热电器件的相变反馈发电。

论文链接：

http://doi.org/10.1002/advs.202206835

作者简介

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卢翔，华中科技大学化学与化工学院副教授，主要研究领域为高分子材料的功能化改性及成型加工新方法、新理论。目前已以第一或通讯作者在Advanced Functional Materials, Advanced Science, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials & Interface, Composites Science and Technology, Composites Part A, Composites Part B等具有重要影响力的国际刊物上发表SCI论文60余篇，主持承担国家自然科学基金、国家重点研发计划课题等国家和省部级科技项目多项。

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