科研速递 | 理工学院郑庆彬教授联合深圳大学的陈光明教授团队在《Small》发表文章

近日，香港中文大学（深圳）理工学院的郑庆彬教授联合深圳大学的陈光明教授团队在《Small》发表题为“Soft Organic Thermoelectric Materials: Principles, Current State of the Art and Applications”的文章。

01

《Small》介绍

Small是材料科学国际顶级期刊，是一本关注在纳米与微观层面上的材料与物质性质研究的期刊，期刊内容覆盖了从物理科学到生命科学、医学、工程等几乎所有的学科领域。2020年期刊影响因子为13.281，JCR分区Q1。

02

文章要点

文章中图1:有机热电材料单体、无机热电填料及热电材料的新兴应用

由于对废热利用的巨大需求，人们对热电材料的开发产生了巨大的兴趣。热电材料可以将废热有效地转化为电能，从而实现以低成本获取能源。与有毒、昂贵、重而脆的无机热电材料相比，有机热电材料由于其高灵活性、无毒、成本效益低和在各个领域的广阔应用前景，越来越受到人们的关注。通过构建和优化独特的传输路径和宏观几何形状，有机热电材料正在接近无机热电材料的转化效率。本综述概述了有关热电效率参数相互依赖与解耦原理的最新进展以及高性能有机热电材料的最新成果，讨论了热电器件的研究进展，介绍了热电器件在能源领域的应用。

03

综述内容

有机热电发电是最近发展起来的新兴科技，可用于可穿戴电子和能量收集。尽管到目前为止，传统的无机化合物表现出更好的热电性能，但开发柔性高效有机热电材料的热情从未消退。此外，无机热电材料的自身缺陷也阻碍了其在近期先进电子器件中的商业应用。与之相对的是，由于有机热电材料具有优异的可弯曲柔韧性、低毒、低成本等特性使其具有传统无机热电材料目前无法实现的应用。近年来，随着内部结构设计的优化，通过分子形态设计、掺杂和引入高性能无机热电粒子，同时提高电导率并允许可调载流子浓度，有机热电材料在室温下的性能逐渐接近无机化合物。

文章中图5. 共轭主链的结构对热电性能影响

本综述将有机热电材料分为三类: 以有机半导体分子为主的有机单组分热电材料、有机复合热电材料和有机离子凝胶基热电材料。

有机半导体，特别是共轭有机聚合物，已经被广泛研究。由于单组分材料独特的分子结构，分子设计和掺杂被广泛应用于提高其热电性能。有机单组分热电材料在室温下的最高功率因数通常低于200µWm-1K-2，远低于无机化合物，因此需要进行更多的努力去了解掺杂有机薄膜对电导率的形态依赖性，从而进一步阐明掺杂剂在制备高性能有机热电材料的结构-性能关系中的作用。与有机单组分热电材料相比，有机杂化或复合材料通过利用有机聚合物分子与无机填料之间的界面特性，获得了比单个组分更高的热电性能，成为更有潜力的热电材料。考虑到导电聚合物本身导热系数低，无机热电粒子的导热系数相对较高，利用各组分的优点，制备无机热电颗粒/有机杂化材料，实现热导率和电导率的协同优化。单组分有机半导体和复合热电材料虽然具有可调节的导电和导热参数，但本征塞贝克系数数值远小于1mv·K-1。为了寻找有潜力和前景的替代品，柔性准固态离子凝胶作为一种新型的高性能热电材料被开发出来，它具有环境友好、塞贝克系数大的特点。但离子导体本身的离子导电性较低，限制了其热电性能指标，因而在热电转换方面还没有得到广泛的研究。热电器件因其将热差转化为能量并实现无振动制冷的前景而受到广泛关注。这些特点推动了有机热电材料在远程电源、温度传感器、汽车、控制设备、凝露、柔性穿戴设备等方面的应用。通过塞贝克效应将余热转化为电能的热电发电机，在可穿戴设备和工业应用的发展中越来越重要。集成热电模块是由两个热电支路组成的完整电路:一个带正电孔的p型支路和一个带负电子的n型支路。当材料两端施加一个温差时，电流就会产生并在电路中流动。尽管热电发电机的研究已成为热点，但如何设计出可靠、高效的热电发电机仍然是一个巨大的挑战。

04

综述结论

本文介绍了近年来具有代表性的典型有机热电材料的前驱体。本综述总结的研究成果在制造高性能热电材料方面具有前所未有的潜力，可以与传统的无机材料相匹敌。单组分热电材料的研究工作主要集中在优化掺杂和调节分子结构有序上。复合热电材料主要研究集中在杂化材料的制备工艺和聚合物/填料界面，包括界面载流子输运和能量过滤效应。离子凝胶集中于提高其离子电导率的同时降低对塞贝克系数的影响。尽管已经取得了实质性的进展，但有机热电材料和器件的发展仍处于起步阶段。成熟的商用器件仍处于开发阶段，面临着不可预见的挑战，尤其宏观制备技术、非晶聚合物中的微观载流子输运和杂化材料中的载流子界面输运等。ZT效率大幅度提高的瓶颈在于涉及电子和声子输运的物理因素之间的更强的相互依赖性。深入了解各种类型有机热电材料的结构-性能关系是非常重要的。对于热电发电机来说，它们面临着降低设备与热源接触热阻的挑战。今后的工作应集中在载流子离域、界面工程和热电发电机与热源接触热阻匹配等方面。就未来的应用而言，它应该向可穿戴应用、远程电源、温度传感器、汽车、控制设备以及冷凝水等柔性产品发展。

05

作者简介

郑庆彬教授2011年博士毕业于香港科技大学机械及航空航天学系，2019年加入香港中文大学（深圳）理工学院担任助理教授并入选国家海外高层次青年人才项目。郑教授曾任德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所“洪堡学者”及香港科技大学机械及航空航天学系研究助理教授，曾获德国“洪堡学者”及香港科技大学高等研究院“青年学人”等荣誉并独立主持国家自然科学基金，德国洪堡基金，香港研究资助局优配研究金等项目。郑教授长期从事纳米碳材料与集成器件的先进制造加工及其在机械、电子、航空航天、医学等领域的应用，如多功能复合材料、柔性显示、柔性传感和柔性电磁屏蔽等，取得了一系列重要研究成果，已在Progress in Materials Science, Materials Today, Advanced Functional Materials, Small, ACS Nano, Materials Horizons, Nanoscale Horizon, Nano-Micro Letters, Carbon等本领域顶级期刊发表文章70余篇，论文总计被引用5000余次，H-index为38。

张银行博士2020年博士毕业于韩国仁荷大学化学学院，2020年加入香港中文大学（深圳）理工学院郑庆彬教授团队担任博士后，主要研究方向为导热材料、热电复合材料及电热膜等。已在Advanced Functional Materials, Small, Carbon, Chemical Engineering Journal, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Composites Part B: Engineering 等复合材料领域TOP期刊发表论文二十余篇，H-index为20。