近年来柔性可穿戴器件获得了迅猛发展，被广泛应用于智能服装、医疗保健监测等方面。其中，热电材料能够将人体的热能转化为电能，是制造可穿戴式自供电电子产品的一种极具吸引力的能源获取技术。有机热电材料比无机材料（如铋基合金）更具优势，因为有机材料的基础元素丰富、重量轻、易于加工且无毒。在有机热电材料中，导电聚合物聚(3，4-二氧乙基噻吩)（PEDOT）被认为是最有发展前景的聚合物，因为它具有（i）高电导率（σdc > 1000 S·cm−1），可以通过掺杂调节聚合物形态，（ii）相对较高的塞贝克系数（S ≈ 10−50 μV·K−1）和（iii）由于弱晶格振动而导致的低热导率（κ < 1 W·m−1·K−1），这些使PEDOT薄膜的ZT值高达0.429。此外，PEDOT与聚苯乙烯磺酸(PSS)水溶液可通过印刷技术制造热电器件，降低了器件的加工成本。然而，PEDOT：PSS的杨氏模量约为500 MPa，最大拉伸应变约为5%，相对于人体运动20-80%的应变来讲，又硬又脆的性质使PEDOT：PSS的应用受到了一定限制。许多研究组在提高材料ZT的同时，也在提高PEDOT：PSS的固有延展性方面做出了重大努力。近日，瑞典林雪平大学Xavier Crispin教授和Klas Tybrandt教授课题组报道了一种通过溶液共混的方法获得具有高导电率（σdc > 140 S·cm−1）和高伸长倍数的（> 600%）PEDOT：PSS-IL-WPU复合材料的方法，相关的制备过程如图1所示。相关性能表征如图2、图3所示。在弹性PEDOT：PSS-WPU复合材料中引入离子液体对复合材料的电学性能和力学性能都有很大的影响，与没有IL的PEDOT：PSS-WPU复合材料相比，含有IL的复合材料的断裂伸长率提高了46倍，弹性模量降低了35倍，σdc 提高了6个数量级。发生这种变化的主要原因是：在PEDOT：PSS-WPU混合分散体系中，WPU颗粒倾向于自行团聚并形成微米级的团簇，而PEDOT：PSS则嵌在片状结构中。不同组分几乎独立存在，相互作用不强。当引入IL后，PEDOT：PSS和IL之间的反离子交换导致PEDOT：PSS向晶态纳米纤维结构变化，这不仅有利于电荷的传输，还有利于在WPU中形成连续网络。IL也减小了WPU的微区尺寸，改善了团聚现象。此外，作为一种非挥发性增塑剂，IL降低了PEDOT：PSS和WPU的弹性模量，增加了两者的延伸性。基于复合材料的热电性能，与Au-TiO2纳米线结合，研究者们开发了第一个本征型的有机热电模块。在40%的拉伸应变下，模块的输出电压不变，输出功率随模块内阻的增加而减小，在平行应变和垂直应变下，输出功率分别保持了初始功率的48%和83%。相关结果如图6所示。相关成果发表在国际顶级期刊Nature Communications上，第一作者为Nara Kim，通讯作者为Xavier Crispin教授和Klas Tybrandt教授。高分子科学前沿建立了“热电”等交流群，添加小编为好友（微信号：polymer-xiang，请备注：名字-单位-职称-研究方向），邀请入群。
来源：高分子科学前沿
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