搜索：
近日，工程熱物理研究所林尚超副教授課題組在The Innovation Energy上發(fā)表題為“Giant-Thermopower Ionogels for Multifunctional Energy Harvesting through Molecularly Selective Ionic Pairing and Hydrogen Bonding”的論文，通過(guò)向離子凝膠中摻雜Na:TFSI以及PEG，實(shí)現(xiàn)了對(duì)選擇性離子配對(duì)與氫鍵的協(xié)同調(diào)控，制備的四元離子凝膠獲得了21.2 mV/K的巨熱電勢(shì)，由離子凝膠熱電腿組裝成的器件在熱傳感、低品位熱能回收和摩擦納米發(fā)電方面展現(xiàn)出了潛力。碩士研究生尹怡思和林尚超副教授為論文共同第一作者，林尚超副教授、趙長(zhǎng)穎教授為共同通訊作者。
人類(lèi)對(duì)傳統(tǒng)化石燃料的依賴仍將持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，然而化石燃料的利用效率普遍低于40%，因此大量的低品位熱能（T < 130℃）無(wú)法被直接利用。熱電技術(shù)可以直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)可持續(xù)能源具有重要意義。近年來(lái)，離子凝膠基或水凝膠基離子熱電材料因其遠(yuǎn)高于電子熱電材料的熱電勢(shì)以及具有高柔性、低成本等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。研究選擇了一種常見(jiàn)的離子液體（IL）二元聚合物離子凝膠作為基底，該體系使用嵌段共聚物PVDF-HFP作為固體聚合物基質(zhì)，離子液體 1-乙基-3-甲基咪唑雙(三氟甲基磺酰基)亞胺(EMIM:TFSI)作為電解質(zhì)。之后在二元離子凝膠中加入Na:TFSI和PEG，分別引入庫(kù)侖相互作用和路易斯酸堿相互作用，最終在四元離子凝膠中得到了21.2 mV/K的巨熱電勢(shì)（圖一）。
圖一：離子凝膠的示意圖及熱電勢(shì) (a) 摻雜Na+和添加PEG后的三維離子凝膠網(wǎng)絡(luò)示意圖。(b) 平板型熱電勢(shì)測(cè)試設(shè)備示意圖。(c) PE2、PE2-Na0.5和PEP2-1.2-Na0.5離子凝膠的熱電勢(shì)。(d) 本工作與其他液態(tài)或準(zhǔn)固態(tài)p型i-TE材料的最高熱電勢(shì)的對(duì)比圖。
Na+摻雜對(duì)離子熱電勢(shì)的增強(qiáng)可以通過(guò)陽(yáng)離子和陰離子遷移率的差異來(lái)理解，Na+與TFSI-之間的庫(kù)侖相互作用較EMIM+與TFSI-之間的庫(kù)侖相互作用相比要強(qiáng)得多，因此體系中會(huì)趨向于形成更穩(wěn)定的[Na:(TFSI)n]1-n離子對(duì)（圖二）。摻雜的Na+與TFSI-形成的離子對(duì)嚴(yán)重阻礙了TFSI-的熱輸運(yùn)，從而擴(kuò)大了EMIM+與TFSI-之間的遷移率差異，將PVDF-HFP/EMIM:TFSI/Na:TFSI三元離子凝膠的熱電勢(shì)提升至13.4 mV/K。
圖二：Na+摻雜以及PEG添加劑對(duì)離子凝膠熱電勢(shì)的影響機(jī)制
為了調(diào)節(jié)EMIM:TFSI與聚合物基體之間的相互作用，進(jìn)一步放大陽(yáng)離子和陰離子之間遷移率的差異，將低分子量（Mn=400 Da）聚乙二醇（PEG）加入到上述摻雜Na+的三元離子凝膠中。添加的PEG分子作為L(zhǎng)ewis堿，優(yōu)先與陽(yáng)離子相互作用。核磁共振1HNMR和拉曼Raman光譜結(jié)果驗(yàn)證了PEG的羥基氧與EMIM+的酸性質(zhì)子之間形成氫鍵，增大了EMIM+的輸運(yùn)熱，進(jìn)一步提升了熱電勢(shì)（圖二）。
研究展示了開(kāi)發(fā)的離子凝膠在多功能能量收集方面的潛力，包括離子熱電超級(jí)電容器、高靈敏度熱傳感器和基于熱電離子凝膠的摩擦納米發(fā)電機(jī)等（圖三）。這項(xiàng)工作提供了庫(kù)侖相互作用以及路易斯酸堿相互作用在提升離子凝膠熱電性能方面的分子層面機(jī)理，也擴(kuò)展了熱電離子凝膠在低品位能量收集和自供電電子設(shè)備中的應(yīng)用。
圖三：巨熱電勢(shì)離子凝膠的應(yīng)用示例
林尚超副教授課題組致力于電子/離子熱電材料與器件、龐壓卡制冷與熱電池、熱化學(xué)儲(chǔ)熱與固態(tài)儲(chǔ)氫等研究。近年來(lái)作為第一作者或通訊作者在Advanced Functional Materials、Science Advances、Chemical Engineering Journal等國(guó)際期刊發(fā)表了一系列研究性論文。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)國(guó)際合作項(xiàng)目等的資助。
論文鏈接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-energy.2024.100048
上海交大
機(jī)械動(dòng)力學(xué)院
上海交大
機(jī)動(dòng)本科教務(wù)辦
SJTU機(jī)動(dòng)研教辦
上海交大
機(jī)動(dòng)校友辦
上海交大MEM
SJTUME基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐
SJTUME錘錘
上海交大
機(jī)動(dòng)研究生會(huì)
ME微紅旗
ME礪遠(yuǎn)學(xué)術(shù)
SJTUME職業(yè)發(fā)展中心
學(xué)院OA系統(tǒng)
jAccount登錄
ENGLISH
地址：上海市東川路800號(hào)上海交通大學(xué)閔行校區(qū)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院
郵編：200240
Email：sjtume@sjtu.edu.cn