南昆士兰大学陈志刚教授课题组Energy & Environmental Science：纤维基热电材料与器件研究进展
通讯作者：陈志刚
第一作者：史晓磊，陈文祎
第一单位：澳大利亚南昆士兰大学未来材料中心
核心内容
1. 综述从纤维基热电材料与器件的基本原理出发，总结了近年来纤维基热电材料与器件的最新研究进展以及未来的应用前景及探索，包括一维微纳米纤维基热电材料的先进合成工艺、常用表征手段、热电性能的改进，以及多维纤维基热电器件的先进设计理念、制造工艺、性能改进的诸多途径。
2. 综述总结了纤维基热电研究领域里的最新研究热点，包括碳基热电纤维，无机复合热电纤维，半导体热电纤维，核壳结构热电纤维，氧化物热电纤维，包覆层与镀层热电纤维，含纤维热电块体材料与性能强化机制，纤维基热电水泥混凝土，有机热电纤维及基于有机热电纤维的二维柔性薄膜，多维度有机/无机复合热电纤维材料，以及商用和生物纤维材料的热电化设计等。
研究背景
热电材料及器件能够实现热能和电能之间的直接转换，因此在回收废热节约能源以及中小规模制冷方面具有无可比拟的优越性。柔性热电材料与器件设计是热电研究领域的重要课题，其在可穿戴电子设备供电以及个人热管理等方面具有独特的优势。其中，纤维基热电材料与器件由于具有较高的柔性和稳定性，富含潜力的热电性能，以及高性价比和多种用途等特点，近年来逐渐获得关注。
综述简介
南昆士兰大学陈志刚教授课题组总结了近年来先进纤维基热电材料与器件的最新研究进展，相关成果发表于顶级能源环境期刊Energy & Environmental Science (DOI: 10.1039/D0EE03520C)。这篇综述旨在全面总结近年来纤维基热电材料和器件的设计思路，合成工艺，表征手段，以及性能评价。针对每一种纤维基热电材料，综述都从其基本原理的简要介绍开始阐述，并配以精心挑选的示例加以说明。最后，该综述提出了目前针对于纤维基热电材料与器件设计所存在的争议，挑战和前景。
要点1：纤维基热电材料的分类
目前较为热门的纤维基热电材料可以按材料种类分为碳基热电纤维，无机复合热电纤维，半导体热电纤维，核壳结构热电纤维，氧化物热电纤维，包覆层与镀层热电纤维，含纤维热电块体材料与性能强化机制，纤维基热电水泥混凝土，有机热电纤维及基于有机热电纤维的二维柔性薄膜，多维度有机/无机复合热电纤维材料，以及商用和生物纤维材料。
图1 几种典型的纤维基热电材料。
要点2：纤维基热电材料的性能
我们总结了不同纤维基热电材料在最近10年来所报道的性能，包括功率因子和热电优值。
图2 不同纤维基热电材料在最近10年来所报道的性能。
要点3：无机热电纤维的热电传输机制
这里总结了随着材料维度的降低（从三维块体材料到一维纤维材料），无机材料热电传输机制的变化。无机纤维基热电材料的尺寸越小，尤其是越接近于量子级尺寸，其量子限域效应越明显，对无机纤维基热电材料的带隙和热电性能影响越大。同时，由于无机纤维基热电材料的单位表面与界面密度大，声子传输明显受限，因此往往具有较低的热导率。
图3 无机热电纤维的热电传输机制。
要点4：碳基热电纤维
这里总结了无机碳基热电纤维的热电基本原理，常见合成工艺，表征手段，以及热电性能，包括普通碳纤维，单/多壁碳纳米管，石墨烯纤维，以及氧化石墨烯纤维。同时，本节总结了典型的碳基热电纤维柔性器件设计和性能。
图4 碳纳米管的定义，碳纳米管的电子结构与晶体结构，碳纳米管的热电性能总结，碳纳米管热电材料的制备，表征，以及器件设计。
要点5：半导体及陶瓷热电纤维
除了无机碳基热电纤维，本节总结了半导体及陶瓷无机热电纤维的热电机制，合成工艺，表征手段，以及热电性能，包括无机纳米线（含自然生长及后天修饰），无机纳米管，无机纳米棒，包覆层及镀层无机热电玻璃/石英纤维，具有核壳结构的半导体热电纤维，以及氧化物陶瓷热电纤维。同时，本节总结了典型的半导体热电纤维的器件设计和性能。
图5 FIB修饰制备Bi2-xSbxTe3-y热电纳米线，硅基热电纳米管，PbTe纳米晶镀层热电玻璃纤维，核壳结构的单晶SnSe热电半导体纤维，以及核壳结构热电半导体纤维在热电发电和制冷方面的应用。
要点6：含纤维热电块体材料，性能强化机制，以及纤维基热电水泥混凝土
本节介绍了含纤维热电块体材料中纤维作为第二相对块体材料的热电性能和机械性能的强化机制，以及纤维基热电水泥混凝土中的热电机制和发展前景。
图6 含多壁碳纳米管第二相的Cu2Se多晶块体材料的合成制备，微观结构表征，性能提升机制，热电性能，以及纤维基热电水泥混凝土的合成，表征和热电发电功率。
要点7：一维有机热电纤维
这里总结了一维有机热电纤维的热电基本原理，常见合成工艺，表征手段，以及热电性能。同时，本节总结了典型的一维有机热电纤维柔性器件设计和性能。
图7 不同形态的一维有机热电材料内部的热电传输机制，有机PEDOT:PSS热电纤维的合成制备，表征，器件设计及应用。
要点8：基于有机纤维的柔性热电薄膜
本节介绍了基于有机纤维的柔性热电薄膜的设计思路，合成工艺，表征手段，以及热电性能。同时，本节总结了典型的基于有机纤维的柔性热电薄膜器件设计和性能。
图8 基于有机纤维的柔性热电薄膜的合成设计，取向化的多种思路，后处理的常见方法，热电传输机制及改进，以及基于有机纤维的柔性热电薄膜的器件设计和输出性能。
要点9：一维有机/无机复合热电纤维
这里总结了一维有机/无机复合热电纤维的热电基本原理，常见合成工艺，表征手段，以及热电性能。同时，本节总结了典型的一维有机/无机复合热电纤维柔性器件设计和性能。
图9 无机碳纳米管纤维/有机溶液复合热电纤维材料与器件的设计及输出性能，电纺法制备无机半导体/有机PAN复合粗纤维的制备与编织型器件设计，以及湿纺法制备无机Te纳米线/有机PEDOT:PSS复合热电纤维材料与可穿戴器件的设计及输出性能。
要点10：基于有机/无机复合纤维的柔性热电薄膜
本节介绍了基于有机/无机复合纤维的柔性热电薄膜的设计思路，合成工艺，表征手段，以及热电性能。同时，本节总结了典型的基于有机/无机复合纤维的柔性热电薄膜器件设计和性能。
图10 直纺法制备Au掺杂碳纳米管/有机PANI复合网状柔性热电薄膜，基于Te纳米线/ PEDOT:PSS的气凝胶复合膜的合成制备与热电传输机制，包括真空冷冻干燥与DMSO蒸气退火处理和真空抽滤工艺。
要点11：商用和生物纤维材料的热电化改造
商用和生物纤维材料的热电化改造具有成本更低，更贴近于人体可穿戴性等特点。本节介绍了基于商用和生物纤维材料的热电化改造的柔性热电材料的设计思路，合成工艺，表征手段，以及热电性能。同时，本节总结了典型的基于商用和生物纤维材料的热电化改造的柔性热电器件设计和性能。
图11 使用柔性无机纤维布作为基体喷涂热电材料来进行柔性器件设计，通过浸润法对人造涤纶布结合有机PEDOT:PSS进行柔性器件设计，无机Bi2Te3与纤维素复合制备多功能热电器件，丙烯酸塑料包覆掺杂碳纳米管纤维材料与可穿戴柔性器件设计。
小结与展望
时至今日，纤维基热电材料与器件的研究取得了令人瞩目的进展，然而目前其存在的挑战也比较严峻。其未来展望包括以下几个方面：
1. 纤维基热电材料与器件的热电性能的进一步提高；
2. 可穿戴纤维基热电器件的个人热管理；
3. 生物纤维基热电材料与器件的进一步研究；
4. 纤维基热电材料与器件的标准化设计及大规模合成工艺的探究；
5. 纤维基热电器件的实际应用拓展。
此外，该综述还以表格的方式总结了近年来不同纤维基热电材料与器件的热电性能（表1）。表格的详细信息请参见原文https://doi.org/10.1039/D0EE03520C。
作者简介
陈志刚教授（通讯作者）是澳大利亚南昆士兰大学能源学科讲席教授（Professor of Energy Materials），澳大利亚南昆士兰大学功能材料学科带头人。长期从事功能材料在能量转化的基础和应用研究。2008年博士毕业后即成功申请到“澳大利亚研究理事会博士后研究员”职位，前往澳大利亚昆士兰大学机械与矿业学院工作，先后担任研究员，高级研究员，荣誉副教授，后转入澳大利亚南昆士兰大学担任功能材料学科带头人，先后主持共计七百万澳元的科研项目，其中包括6项澳大利亚研究委员会、1项澳大利亚研究委员会工业转化研究中心，1项澳大利亚科学院、2项州政府、10项工业项目和10项校级的科研项目。在南昆士兰大学和昆士兰大学工作期间，共指导17名博士生和3名硕士研究生，其中已毕业博士生5名和硕士生2名。在Nat. Energy, Nat. Nanotech.、 Nat. Commun.、 Chem. Rev.，Prog. Mater. Sci.、 Energy Environ. Sci., Adv. Mater.、 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Edit., Nano Lett.、等国际学术期刊上发表280余篇学术论文。这些论文共被Scopus引用15400余次，H-index达到62。
史晓磊研究员（第一作者）就职于澳大利亚南昆士兰大学未来材料中心，开放学术期刊Micromachines特刊编辑（IF=2.523）。于2008及2011年在北京滚球体育 大学分别取得材料学学士及硕士学位，毕业后就职于清华大学摩擦学国家重点实验室深圳微纳研究室进行科研工作。2015年获得澳大利亚国际留学生全额奖学金（RTP）开始在澳大利亚昆士兰大学攻读博士，2018年度国家优秀自费留学生奖学金获得者，并于2019年获得博士学位。其研究方向集中于热电材料，材料表面与界面，化学以及纳米科学领域。共在Chem. Rev. (1篇)，Prog. Mater. Sci. (1篇)，Energy Environ. Sci. (2篇)，Adv. Mater. (1篇)，Adv. Energy Mater. (2篇)，ACS Nano (1篇)，Energy Storage Mater. (1篇)，Adv. Sci. (1篇)，Nano Energy (7篇)，ACS Energy Lett. (1篇)，J. Mater. Chem. A (1篇)，Chem. Mater. (2篇)等国际学术期刊上发表论文80余篇，中国发明专利4项，其中以第一及通讯作者身份发表论文近 30篇。这些论文被SCI引用1700余次，H-index达到25。
本文由作者投稿。
文章评论(0)