用體溫為手機充電，讓篝火成為野營的電力之源……這些都是人們對未來綠色能源的美好愿景。中國科學院化學研究所朱道本、狄重安研究團隊和北京航空航天大學趙立東課題組等在高性能聚合物熱電材料研制方面取得重要進展，有望讓這一夢想照進現實。這一重要成果于7月24日在國際學術期刊《自然》發表。
塑料也能發電
研究團隊提出并構建了聚合物多周期異質結（PMHJ）熱電材料。具體而言，就是利用兩種不同的聚合物構建周期有序的納米結構，其中每種聚合物的厚度均小于10納米，兩種材料的界面約為2個分子層的厚度，并且界面層內部呈現體相混合的特征。這一納米限域的結構不但可以保證有效的電荷傳輸，而且可以高效散射聲子與類聲子傳播。
也就是說，PMHJ薄膜相對普通聚合物薄膜更接近高性能熱電材料的“聲子玻璃—電子晶體”理想模型，有望大幅提升材料的熱電性能，從而為高性能塑料基熱電材料的研究提供全新思路。
據介紹，具有高塞貝克系數、高電導率和低熱導率的“聲子玻璃—電子晶體”模型，就是指材料需要像玻璃一樣阻擋熱量（聲子）傳導，但又像晶體一樣允許電荷自由移動，也就是讓聲子“寸步難行”而讓電荷“暢通無阻”。雖然，科學界普遍認為聚合物具有聲子玻璃特征，從而具有本征低熱導率，但實際上，很多高電導聚合物薄膜和理想的“聲子玻璃”有很大差異，制約了聚合物熱電性能的提高。在過去十余年中，科學家們利用分子創制、組裝和摻雜調控聚合物薄膜的塞貝克系數、電導率及其制約關系，但熱電優值一直停留在0.5附近，遠低于商品化無機熱電材料的性能，制約了塑料基熱電材料的發展。
研究團隊利用中國科學院化學研究所張德清課題組和英國牛津大學Iain McCulloch課題組發展的PDPPSe-12和PBTTT兩種聚合物，以及韓國蔚山科學技術院BongSoo Kim課題組發展的交聯劑，結合分子交聯方法，構筑了具有不同結構特征的PMHJ薄膜；通過與清華大學王冬課題組的理論合作研究，他們揭示了熱導率的尺寸效應和界面漫反射效應。此外，PMHJ結構具有優異的普適性，其加工方式與溶液法制備技術兼容，在柔性供能器件方面具有重要應用潛力。
業內專家認為，上述研究打破了現有高性能聚合物熱電材料不依賴熱輸運調控的認知局限，為塑料基熱電材料領域的持續突破提供了新路徑。
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