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有机热电材料:未来绿色能源新翘楚

作者:李丹 甘晓 来源:中国科学报 发布时间:2020-12-11 浏览:
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新分子“派”出大本事

π(pi),读音“派”,是一个神奇的希腊字母。我们知道它,是从圆周率开始的。对于化学家而言,π更多地是指一种化学键。在π键中,不同原子的电子云以“肩并肩”的方式排列重叠,原本束缚在某一个原子周围的电子,能够在形成化学键的2个原子间移动。

在科学家们眼里,大π键能“派”出的大本事!

更令化学家惊奇的是,在一些有机分子中,电子能够在多个原子间自由“奔跑”,带有这类π键的分子被称为π-共轭分子。

如今,这类分子已成为化学研究中最耀眼的明星之一。如何高效设计和合成π-共轭分子、如何精准调控其组装结构和电子行为,则是这一领域最具挑战性的基础科学问题。

2014年起,中国科学院启动战略性先导科技专项(B类)“功能pi(π)-体系的分子工程”(以下简称“先导专项”)。

在先导专项支持的5年工作里,由中国科学院院士朱道本、万立骏担任首席科学家,来自中国科学院化学研究所、长春应用化学研究所、上海有机化学研究所以及微电子研究所等多家单位的科研人员通力合作,产生一批原创性的具有世界领先水平的创新成果。

科学家们在国际知名学术期刊发表1183篇论文,申请169项发明专利,其中64项已获授权,专项目标和技术指标全面超额完成。

在化学所为该先导专项组织的国际评估中,参与评估的国际同行专家对项目取得的成绩作出极高评价:“这个项目取得了巨大成功,超过了最初的目标,发展了令人兴奋的材料和器件研究的完整平台。”

同时,基于专项的科学研究成果,科学家们还发展出具有自主产权的柔性器件制备与集成技术,有力推动我国在这一战略新兴产业上发展,为有机电子工业颠覆未来生活做好了科学与技术的准备。

从今天起,《中国科学报》将盘点该项目支持下,科学家在6个不同领域取得的成果。

有机热电材料:未来绿色能源的新翘楚

热电效应是一种基本的并且普遍存在的能量转换现象。基于这一效应,利用温差发电以及在电场驱动下制冷都能实现。

以π-共轭分子材料为代表的有机热电材料具备优异的溶液加工性、柔韧性和低热导率,展现突出的热电性能。

中国学者在这一领域发挥引领性作用。1986年,来自中科院化学所与德国马普所的科研人员通力合作,发现BEDT-TTF单晶在不同温度下可以展现截然相反的热电势,这意味着,有机体系具有成为良好热电材料的潜力。

20多年后,有机热电材料的基础研究才逐渐步入繁荣发展期。

在先导专项支持下,科研团队发展了一系列高性能材料体系,制备了新功能有机热电器件。

中国科学院院士朱道本介绍,科学家们在该领域的突出工作包括:

首先,获得了刷新热电性质新纪录的热电材料。研究人员用电化学的方法,制备一种配位聚合物,克服了结构无序性对提高热电性能的阻碍,大幅提高了材料的导电率,体现热电性能的热电优值(ZT值)达到0.3,这是n型分子热电材料的最高值。

第二,发展了一种快速寻找新热电材料的方法。研究人员提出了高迁移率半导体的场调控热电性能新方法,加快寻找有前景的有机热电材料。这种新方法为理性设计有机热电材料奠定了基础。

第三,制备了一批基于热电材料的新器件。

例如,首次利用微结构有机热电材料制备了自供电温度-压力双参数传感器,率先构建热悬浮有机热电器件并实现电致制冷……这些器件的成功制备展示了有机热电材料在自供电健康监测和超薄固态制冷方面的广阔应用前景。

国际评估专家指出,在有机电子学常常局限于场效应晶体管、发光二极管和太阳能电池等“常规的可能应用”时,化学所在有机热电材料领域的工作突破了这些局限。

“我们课题组的年轻科研人员经常在一起畅想有机热电材料的未来,一个有趣的场景令人印象深刻。”朱道本说,“外出野营时,带上一把有机热电材料做的烧水壶,就不用受手机没电之苦了——水壶上连一根充电线,烧水的热能转换成电能,水热了,也给手机充了电。”

研究人员认为,热能来源广泛、成本低,热电材料有望能在解决能源危机、环境问题等全人类面临的重大挑战中发挥重要作用。

图1:有机热电材料的帕尔贴效应温度分布

图2:可用作自供电压力-温度双参数传感的有机热电集成器件照片。

关键字:储热材料

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