液体热电转换材料:构筑新一代的柔性热电体系

能源危机与环境污染作为人类文明可持续发展亟待解决的两大热点问题,驱动全球科学界致力于开发新能源以及发展有效的能量转换材料来解决问题。热电转换材料是一类工作在低温与高温介质之间,可将热能有效地转换成电能的功能材料。热电转换材料相对于传统的热机,在工作中无物质交换,因而无需复杂的结构设计,也不会带来机械振动、噪音以及三废问题等。此外,热电转换材料所需的工作温度较低(温差大于10K即可),因而热源丰富,遍布于自然界的温泉、地热,以及城市中高产热电器、车辆尾气管以及冷却水系统等。

现有的商业化的热电转换材料主要是基于金属无机材料的PbTe、Bi2Te3等,基于有机半导体的聚噻吩、聚吡咯,以及基于纳米碳材料的石墨烯、碳纳米管等。这些材料具有较高的热电优值以及热电转换效率,然而由于固体材料自身的限制,使这类材料缺乏柔性,在破损状态下缺乏自修复能力,难以在加工过程中实现功能掺杂等,严重限制了新一代热电转换材料的进一步发展。早在中国古代,人们就已经意识到液体具有种种固体不可比拟的优势,“柔性似水”、“抽刀断水水更流”、“海纳百川”这些诗句体现了液体自身内禀的柔性、强大的自修复能力以及掺杂能力。采用液体材料作为热电转换材料,可以大幅度地推动该类材料在新世纪的进一步发展。

AEMwangyapei

中国人民大学化学系王亚培课题组近期发现二取代基咪唑类离子液体作为一类新型的电介质材料在一定温度梯度下能够产生稳定的电动势,并针对离子液体的热电效应进行了机理分析。离子液体的阴阳离子在电极表面的分布会随温度的升高而发生重排,电极两端的温度不同就会造成两端不同的离子分布,进而产生电动势。离子液体在一定温度梯度下的电动势与阴、阳离子的种类以及电极材料的种类有关,其中,性能最优异的离子液体的热电系数甚至高达1.446mV/K。离子液体作为液体材料在热电转换领域中锋芒毕露,其内在优势拓展出巨大的应用空间。离子液体与柔性硅橡胶软管组合之后可实现柔性热电转换的功能应用;与自修复高分子模具组合可以在多次切断-自修复循环中实现自修复热电转换的功能应用;与光热转换纳米颗粒(聚吡咯纳米颗粒)组合时可实现光-热-电耦合转换,进一步拓展了该类材料的能量来源,为离子液体热电转换的进一步发展打下坚实的理论与实验基础。

离子液体作为液体热电材料不仅为传统热电材料的开发提供了新的思路,同时借助液体内在优势可实现更多的功能化掺杂,增加能源转换方式,实现热、光、电磁波以及超声波到电能的能量转换。相信基于离子液体的热电转换材料具有很强大的应用潜力以及更广阔的发展空间。相关论文在线发表在Advanced Electronic Materials (DOI: 10.1002/aelm.201600136) 上。

Speak Your Mind