2022年1月11日，機電工程學(xué)院安盟副教授相關(guān)研究成果以“Selectively Tuning Ionic Thermopower in All-Solid-State Flexible Polymer Composites for Thermal Sensing”為題，在線(xiàn)發(fā)表于Nature Communications期刊上。
《Nature Communications》是國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Nature》發(fā)行的子刊(自然指數期刊)，內容涉及自然科學(xué)所有領(lǐng)域，是國際頂級綜合性期刊，發(fā)表的論文不僅對某一專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域有重要的理論或應用價(jià)值，還要求能引起廣泛的科學(xué)興趣，有利于推動(dòng)其它領(lǐng)域的創(chuàng )新和發(fā)展。該文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27885-2。
安盟與清華大學(xué)張興教授、馬維剛副教授、香港科技大學(xué)黃寶陵副教授等課題組合作，提出了選擇性調控全固態(tài)離子熱電P/N型的機制和實(shí)現了寬調控范圍，并開(kāi)發(fā)出優(yōu)異響應特性的無(wú)接觸式熱傳感器。該研究對離子熱電關(guān)鍵參數調控和新型離子熱電材料開(kāi)發(fā)具有重要的指導意義，為基于離子熱電效應的器件設計與開(kāi)發(fā)提供了新范式。
近年來(lái)，以離子為載流子的塞貝克效應為開(kāi)發(fā)高性能熱電器件開(kāi)辟了全新途徑，然而，當前的離子熱電材料依然受到各種因素限制，存在一些難以克服的瓶頸，例如離子熱電材料多以含有水溶液的凝膠為主，液體容易蒸發(fā)或泄漏，導致其穩定性欠佳，且離子熱電材料以P型為主，可選擇的N型材料種類(lèi)非常有限。目前尚缺乏針對全固態(tài)聚合物離子型熱電材料P-N型轉換的普適性機理，選擇性調控特定離子在全固態(tài)聚合物中的熱輸運過(guò)程異常困難，因此極大地限制了離子熱電的實(shí)際應用。
全固態(tài)離子熱電材料P-N型熱電性能
(a) P-N型轉換調控示意圖，（b）電壓響應方向對比圖，（c）P型至N型塞貝克系數變化圖，（d）P型和N型離子產(chǎn)生熵變圖，（e）已報道的P-N型塞貝克系數范圍對比圖。
本研究首先設計和開(kāi)發(fā)出具有高塞貝克系數的P型（20 mV K-1）全固態(tài)柔性離子熱電復合材料（PVDF-HFP/NaTFSI/PC），并且具有良好的機械強度和穩定性。通過(guò)引入強電負性三(五氟苯基)硼烷（TPFPB）分子，有效地抑制了陽(yáng)離子在聚合物中的輸運，成功將該P型復合材料轉換至N型，塞貝克系數可調控至-6 mV K-1。通過(guò)傅里葉變換紅外和拉曼光譜等實(shí)驗表征并結合分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究人員系統研究了不同離子濃度、濕度對離子熱電性能關(guān)鍵參數的影響及其耦合關(guān)系，發(fā)現材料的P/N型屬性與陰、陽(yáng)離子產(chǎn)生的伊士曼熵變絕對值具有緊密聯(lián)系，當陽(yáng)離子產(chǎn)生的熵變值高于陰離子時(shí)，復合材料表現為P型，反之為N型。對揭示全固態(tài)聚合物離子熱電材料P-N型轉換的物理機制具有重要意義。
研究人員開(kāi)發(fā)了基于離子熱電效應的無(wú)接觸式自供電熱智能探測器，在較寬的光、熱刺激范圍內展現出優(yōu)異的響應特性、可重復性和高靈敏度。同時(shí)，研究人員開(kāi)發(fā)出由13對P-N熱電臂組成的平面式熱傳感器，該傳感器在10K溫差下可產(chǎn)生2.5V電壓且具備高穩定性。
基于離子熱電效應的應用展示
(a) 離子熱電發(fā)電機，（b）離子熱電探測器，（c）發(fā)電機在不同溫差下的響應結果，（d）熱探測器在不同熱源下的響應，（e）無(wú)接觸式自反饋控制圖。
安盟為論文的共同第一作者（排序第二），我校為第二署名單位。清華大學(xué)博士后赤騁為文章的共同第一作者（排序第一）。清華大學(xué)馬維剛、香港科技大學(xué)黃寶陵為該文章的共同通訊作者。合作者包括美國伍斯特理工學(xué)院王巖教授、張瑞寒博士，澳大利亞昆士蘭大學(xué)巴里斯·德米爾（Baris Demir）特聘研究員等。該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金委、中國博士后科學(xué)基金會(huì )等項目的資助。
現任機電工程學(xué)院過(guò)程裝備與控制工程教研室副主任的安盟是學(xué)校引進(jìn)的高水平博士，入校幾年來(lái)主要從事微納尺度熱能轉換與利用的相關(guān)研究，主持國家自然科學(xué)基金青年項目、博士后特別資助和面上項目、陜西省青年基金和陜西省青年創(chuàng )新團隊項目等基礎研究項目7項，擔任了Frontiers in Mechanical Engineering客座編輯，是清華大學(xué)在職博士后，去年底，獲評為日本學(xué)術(shù)振興會(huì )JSPS Fellowship、陜西省青年科技新星。
（核稿：夏祥林 編輯：王舒婷）
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