欢乐互娱

科大新闻

欢乐互娱:机电工程学院青年教师在《Nature Communications》发表全固态离子热电研究进展论文

2022-01-14 08:22 文、图/机电学院 点击:[]

2022年1月11日,机电工程学院安盟副教授相关研究成果以“Selectively Tuning Ionic Thermopower in All-Solid-State Flexible Polymer Composites for Thermal Sensing”为题,在线发表于Nature Communications期刊上。

《Nature Communications》是国际顶级学术期刊《Nature》发行的子刊(自然指数期刊),内容涉及自然科学所有领域,是国际顶级综合性期刊,发表的论文不仅对某一专业领域有重要的理论或应用价值,还要求能引起广泛的科学兴趣,有利于推动其它领域的创新和发展。该文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-27885-2。

安盟与清华大学张兴教授、马维刚副教授、香港科技大学黄宝陵副教授等课题组合作,提出了选择性调控全固态离子热电P/N型的机制和实现了宽调控范围,并开发出优异响应特性的无接触式热传感器。该研究对离子热电关键参数调控和新型离子热电材料开发具有重要的指导意义,为基于离子热电效应的器件设计与开发提供了新范式。

近年来,以离子为载流子的塞贝克效应为开发高性能热电器件开辟了全新途径,然而,当前的离子热电材料依然受到各种因素限制,存在一些难以克服的瓶颈,例如离子热电材料多以含有水溶液的凝胶为主,液体容易蒸发或泄漏,导致其稳定性欠佳,且离子热电材料以P型为主,可选择的N型材料种类非常有限。目前尚缺乏针对全固态聚合物离子型热电材料P-N型转换的普适性机理,选择性调控特定离子在全固态聚合物中的热输运过程异常困难,因此极大地限制了离子热电的实际应用。

全固态离子热电材料P-N型热电性能

(a) P-N型转换调控示意图,(b)电压响应方向对比图,(c)P型至N型塞贝克系数变化图,(d)P型和N型离子产生熵变图,(e)已报道的P-N型塞贝克系数范围对比图。

本研究首先设计和开发出具有高塞贝克系数的P型(20 mV K-1)全固态柔性离子热电复合材料(PVDF-HFP/NaTFSI/PC),并且具有良好的机械强度和稳定性。通过引入强电负性三(五氟苯基)硼烷(TPFPB)分子,有效地抑制了阳离子在聚合物中的输运,成功将该P型复合材料转换至N型,塞贝克系数可调控至-6 mV K-1。通过傅里叶变换红外和拉曼光谱等实验表征并结合分子动力学模拟,研究人员系统研究了不同离子浓度、湿度对离子热电性能关键参数的影响及其耦合关系,发现材料的P/N型属性与阴、阳离子产生的伊士曼熵变绝对值具有紧密联系,当阳离子产生的熵变值高于阴离子时,复合材料表现为P型,反之为N型。对揭示全固态聚合物离子热电材料P-N型转换的物理机制具有重要意义。

研究人员开发了基于离子热电效应的无接触式自供电热智能探测器,在较宽的光、热刺激范围内展现出优异的响应特性、可重复性和高灵敏度。同时,研究人员开发出由13对P-N热电臂组成的平面式热传感器,该传感器在10K温差下可产生2.5V电压且具备高稳定性。

基于离子热电效应的应用展示

(a) 离子热电发电机,(b)离子热电探测器,(c)发电机在不同温差下的响应结果,(d)热探测器在不同热源下的响应,(e)无接触式自反馈控制图。

安盟为论文的共同第一作者(排序第二),欢乐互娱为第二署名单位。清华大学博士后赤骋为文章的共同第一作者(排序第一)。清华大学马维刚、香港科技大学黄宝陵为该文章的共同通讯作者。合作者包括美国伍斯特理工学院王岩教授、张瑞寒博士,澳大利亚昆士兰大学巴里斯·德米尔(Baris Demir)特聘研究员等。该研究成果得到了国家自然科学基金委、中国博士后科学基金会等项目的资助。

现任机电工程学院过程装备与控制工程教研室副主任的安盟是学校引进的高水平博士,入校几年来主要从事微纳尺度热能转换与利用的相关研究,主持国家自然科学基金青年项目、博士后特别资助和面上项目、陕西省青年基金和陕西省青年创新团队项目等基础研究项目7项,担任了Frontiers in Mechanical Engineering客座编辑,是清华大学在职博士后,去年底,获评为日本学术振兴会JSPS Fellowship、陕西省青年科技新星。

(核稿:夏祥林 编辑:王舒婷)

上一条:“教学+研究”齐头并进,线上报告助力教师开展教育教学研究 下一条:欢乐互娱2022新学期本科线上教学全面、有序、有质展开

欢乐互娱(集团)阜康有限公司