Nano Energy：具有径向异质结夹层的高集成纤维状热电器件

具有可编织、轻质、柔性等特点的纤维状热电器件在人体热能收集方面展现了巨大的潜力。为了提高器件的热电转化能力，研究人员倾向于构筑高密度的热电对，但是这在纤维状热电器件中仍是一项挑战。目前，大多数工作是沿纤维长轴方向进行热电对的设计，其空间利用率有待提高。

东华大学先进功能材料课题组提出一种卷绕成型的纤维状热电器件加工策略，在器件的轴向和径向同时实现了高密度热电对的集成。成果以“Highly integrated fiber-shaped thermoelectric generators with radially heterogeneous interlayers”为题在Nano Energy上发表。东华大学为论文完成单位，材料科学与工程学院博士生王锟为第一作者，侯成义研究员、李耀刚教授为通讯作者。

纤维状热电模块由热电功能层和绝缘层双层膜沿长轴方向卷绕制备（图1）。热电层中的碳纳米管（CNT）p-n对结构可通过激光雕刻和模板喷涂法实现，醋酸纤维素（CA）纳米纤维膜具有极佳的柔性，在卷绕形成的径向异质结构中作为绝缘夹层和柔性载体。卷绕成型的热电模块具有较小的直径（~1.3 mm），单位质量仅为7 mg/cm。

图1 CNT/CA卷绕热电模块的设计及制备

对不同长度（L）和热电对数量的卷绕模块输出性能进行了对比（图2）。热流方向沿模块长轴方向，在模块L=2 cm且含有8个热电对时，模块的开路电压密度可达65.4 mV/cm²（ΔT约为41 K）。同时，卷绕模块具有良好的力电稳定性，2 cm的卷绕模块在弯折130次后（弯折角度为90°），器件内阻的变化小于1.3%。

图2 单个CNT/CA卷绕模块的热电输出性能及柔性表征

此外，进一步对多组互联的CNT/CA双层膜进行卷绕加工，实现了多组串联纤维状热电器件的一体化成型（图3）。与传统结构纤维状热电器件相比，本工作报道的轴向/径向双效高集成器件的单位长度输出电压具有显著的优势。将该纤维状器件织入普通织物，可实现人体表面热能的收集以及温度监测。

图3 纤维状热电器件（4个卷绕模块串联）的输出性能及与织物集成

近年来，研究团队在用于人体的湿热管理（Adv. Mater. 2021, 33, 2007352. ACS Nano 2022, 16, 2188. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 44673.）、体域能源（Adv. Mater. 2021, 33, 2100782. Nat. Commun. 2019, 10, 5541. Nat. Commun. 2019, 10, 868. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2002508. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1900304. Nano Energy, 2022, 95, 107055.）、人机交互（Adv. Mater. 2021, 33, 2104681. Biosens. Bioelectron. 2021, 174, 112828. Chem. Eng. J. 2022, 431, 134012. Chem. Eng. J. 2022, 427, 130886.）等方向取得了系列进展，研究工作得到国家青年人才计划、国家自然科学基金、上海市启明星计划、上海市青年拔尖人才计划、东华大学励志计划等基金的资助。团队长期欢迎材料、信息、纺织、服装等领域的博士后、博士研究生、硕士研究生加入！

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522001392#fig0005