南开大学陈永胜教授和马儒军教授团队Nano Letters：用于人体热能收集与热管理的超弹性石墨烯基热电海绵

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日常生活中蕴藏着丰富的热能，如人体作为一个恒温源能够持续地散发热量，日常的电子设备在工作中也会产生大量的废热能。因此，开发高性能的柔性热电材料用于废热收集，对于设计自供电可穿戴电子设备以及智能热管理具有重要的意义。石墨烯基的柔性电材料近年来得到了飞速的发展，然而，受限于石墨烯的二维特性，在热电性能突破以及应用上仍然面临着巨大的挑战。

图1 石墨烯热电海绵结构表征与性能分析

近期，南开大学陈永胜教授和马儒军教授团队利用模板辅助方法设计了一种具有超弹性的多功能石墨烯复合热电海绵 （图1），通过三维结构调控（包括石墨烯含量、孔径和孔隙率优化），平均的塞贝克系数高达49.2 μV/K，压缩应变高达98%，综合性能优于大部分已报道的石墨烯及其复合热电薄膜、块体（图2）。在30%的应变下循环压缩10000次，仍表现出优异的力学和热电稳定性；利用热电海绵产生的热电信号可以实现自驱动的温度和应变监测，温度分辨率可达0.1 K，应变灵敏度高达645.5 nA/%（图3）。通过串联集成，设计了一种鞋垫形状的可穿戴热电装置，并模拟研究分别在冬天和夏天环境中，利用人体热能产生的电信号；在-170~300 ℃的温跨下，该热电海绵仍具有较高的热电性能及稳定性（图4）。在常温环境中，利用人体热能产生的热电信号在管理电路的辅助下可以驱动小功率的医疗设备（如血压计、血氧仪等）实现生理信号监测。此外，将4×4阵列的热电器件置于正常工作的CPU表面，可以产生稳定的电压，同时能够降低CPU的温度，提高计算机的运行速度和稳定性。这项工作为石墨烯基热电材料的性能优化、实现同时热电转换和热管理提供了可行的策略。该工作以“Multifunctional Superelastic Graphene-based Thermoelectric Sponges for Wearable and Thermal Management Devices”为题发表在《Nano Letters》上。文章第一作者为张鼎博士，该研究得到国家自然科学基金委以及科学技术部的支持。

图2 热电性能优化及对比

图3 力学/热电稳定性及微小应变/温度监测研究

图 4 可穿戴人体热能收集及芯片热管理研究

该工作是团队近期关于高性能碳基热电材料结构设计与应用的最新进展之一。马儒军教授目前为南开大学材料科学与工程学院智能热管理实验室负责人，近年来在主动/被动制冷材料、柔性热电材料与器件、高性能柔性导热复合材料、能源转换材料与器件等多学科交叉领域取得了一系列重要的研究成果，并以通讯或第一作者发表在Science、Chemical Society Reviews、Joule、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Letters、ACS nano、Nano Energy等国际知名期刊上。实验室拥有先进的材料制备平台以及电学、热学等测试系统，并围绕国家重点研发计划项目等多项课题，展开新能源与智能热管理技术方向的研究。团队现诚招材料、化学、物理、电子等相关专业背景的博士后，欢迎有志之士将个人简历（pdf）发送至马儒军教授邮箱[e-mail]，邮件标题请注明：“应聘博士后+本人姓名+博士毕业院校”，对于符合要求并通过初审者，将会通知安排面试。招聘启事在岗位招满前有效。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00696

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