摘要：从环境或人体中收集能量用于自供电传感器、储能和可穿戴电子设备等备受关注。热电发电机（TEGs）纤维具有结构简单、机械柔性好和直接热电转换等优点，但在实际应用中面临保持稳定温度梯度和可扩展制造等挑战。辐射调节技术可用于提高热电织物的温度差（ΔT），实现热舒适和高

苏州大学《Science Advances》：大面积辐射调制热电织物，用于高性能热管理和发电

从环境或人体中收集能量用于自供电传感器、储能和可穿戴电子设备等备受关注。热电发电机（TEGs）纤维具有结构简单、机械柔性好和直接热电转换等优点，但在实际应用中面临保持稳定温度梯度和可扩展制造等挑战。辐射调节技术可用于提高热电织物的温度差（ΔT），实现热舒适和高电输出。然而，在保持稳定的温度梯度和实现商业化的可扩展制造方面仍然存在挑战。

近日，苏州大学张克勤教授、廖良生教授和卓明鹏博士介绍了一种用于高性能热管理和发电的大面积辐射调制热电织物的制备与性能研究，通过静电纺丝和丝网印刷技术分别制备了 PVDF-HFP 辐射冷却纤维膜和碳纳米管（CNT）基光热 / 热电阵列，并将其组合成可实现热管理和热电转换的织物，为可穿戴电子设备供电提供了新途径。结合CNTs优异的光热性能，得到的热电织物（0.2平方米）在约800瓦/平方米的太阳强度下可达到37 K的Δ T，峰值功率密度为0.20毫瓦/平方米。这项研究提供了一条实用的途径，通过有效地收集太阳能，同时解决自供电可穿戴应用中的热管理和发电问题。相关研究内容以“Large-area radiation-modulated thermoelectric fabrics for high-performance thermal management and electricity generation”为题目，发表在期刊《Science Advances》上。

图 1. 辐射调制热电织物的设计与制造。

辐射调制热电织物的设计与制备：

PVDF-HFP 纳米纤维膜的制备：以 N,N - 二甲基甲酰胺和丙酮为溶剂，采用静电纺丝技术制备 PVDF-HFP 纳米纤维膜。纤维表面光滑，直径在 0.3-1.6μm 之间，平均直径约为 0.8μm。该膜在太阳光区域（0.3-2.5μm）反射率高于 96.9%，在中红外范围发射率为 96.8%，具有良好的辐射冷却性能，在 1-sun AM 1.5 模拟器照射 1500s 后，其最终平衡温度比白色基底织物低 9.6°C。

基于丝网印刷的光热电阵列制备：选用 CNT 制备墨水，其具有高粘度、低毒性、化学稳定性好、导电性和塞贝克系数高等优点，适合丝网印刷制备热电阵列。在尺寸为 1m×0.2m 的织物上成功制备了 560 对的 CNT 基热电阵列及银阵列，并通过印刷 “苏州大学” 标志展示了丝网印刷的高图案灵活性。红外图像显示，模拟太阳光照射后，标志逐渐变亮，表明 CNT 图案具有良好的光热性能，其温度增量与模拟太阳光强度呈正相关，且经过 10 次循环测试后仍保持较高的光热稳定性。

图 2. 基于丝网印刷的光热电阵列的光热性能。

热电阵列的性能测试：

热电性能：在 10cm×10cm 的商业白色织物上制备了 28 对热电阵列，CNT 线图案通过银电极串联形成集成 TEG 器件。随着 ΔT 从 1K 增加到 8K，14 对热电阵列的输出电压从 0.58mV 显著增加到 4.63mV，总塞贝克系数为 1.16mV/K，且总塞贝克系数与热电阵列对数成正比。CNT 和银的 p 型塞贝克系数分别为 50μV/K 和 -5μV/K，电导率分别为 700Ω/m 和 7Ω/m。在 ΔT = 9K 时，热电阵列的功率密度达到 1.04W/m²，短路电流约为 0.8A。经过多次水洗、长时间储存和弯曲 - 释放循环测试后，热电阵列的电阻、塞贝克系数和性能均保持稳定。

输出性能：将 PVDF-HFP 纳米纤维膜沉积在 CNT 基热电阵列上形成辐射调制热电织物。通过有限元分析（FEA）模拟和室内模拟太阳光测试表明，该织物在太阳能照射下能产生明显的温度梯度。通过控制 PVDF-HFP 膜在热电阵列上的覆盖比例（x:y）和图案尺寸（a:b）可调节输出电压，在覆盖比例为 0.5、图案比例为 0.42 时，织物在 1个太阳模拟太阳光强度下的最佳 ΔT 可达 37.1°C，输出电压为 47.9mV，功率密度为 0.32mW/m²。在户外实验中，辐射调制热电织物在自然阳光下输出电压与太阳辐照度变化一致，在中午 12:30 达到最大值 42.7mV，且在夜间也能因辐射冷却膜的红外辐射散热而产生 0.5mV 的输出电压。此外，该织物还具有运动传感功能，透气性良好，可通过放大器驱动小型可穿戴设备，并成功点亮绿色发光二极管和定时器。

图 3. 热电阵列的热电性能。

图 4. 辐射调制热电织物的输出性能。

图 5. 辐射调制热电织物的应用。

小结：

该研究成功制备了 PVDF-HFP 辐射冷却纤维膜和 CNT 基光热 / 热电阵列，并设计出可扩展、柔性的辐射调制热电织物。该织物实现了热管理和热电能量转换，通过控制 PVDF-HFP 膜的覆盖比例可精确调节热电阵列的温度梯度，提高能量转换性能。在户外太阳能热电转换测试中，织物在 800W/m² 的太阳密度下输出电压密度达 6.67V/m²，展示出在可穿戴太阳能收集方面的潜力，还具有能量收集、传感和驱动小型电子设备的能力，为可穿戴电子设备和其他应用提供了一种有效利用环境低品质热的新途径。

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来源：惜文教育