隨著智能可穿戴設(shè)備市場的迅速擴張，傳統(tǒng)電源的局限性日益凸顯。鋰電池等常規(guī)能源不僅需要頻繁充電，還存在重量大、環(huán)境適應(yīng)性差等問題，難以滿足設(shè)備長期穩(wěn)定運行的需求。在此背景下，柔性熱電材料憑借其輕便、環(huán)保、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，成為能源收集領(lǐng)域的研究熱點。這類材料能夠直接將人體散發(fā)的熱量、工業(yè)廢熱等低品位熱能轉(zhuǎn)化為電能，在健康監(jiān)測、智能傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，現(xiàn)有柔性熱電材料普遍面臨制備工藝復(fù)雜、性能提升困難等挑戰(zhàn)，制約了其大規(guī)模應(yīng)用。

近期，科研團隊在柔性熱電材料領(lǐng)域取得重要突破。由上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)與澳大利亞南昆士蘭大學(xué)聯(lián)合組成的團隊，采用直寫打印技術(shù)，成功開發(fā)出多種高性能柔性熱電薄膜。研究團隊以Ag?Se為核心材料，通過引入甲基纖維素、PEDOT:PSS和PVP等聚合物涂層，制備出三種復(fù)合薄膜。其中，PVP@Ag?Se/甲基纖維素薄膜在400K溫度下表現(xiàn)出色，功率因子達到2191.5μW·m?1·K?2，刷新了直寫打印制備的柔性有機/無機復(fù)合薄膜紀錄。該團隊還利用這項技術(shù)直接打印出三腿柔性熱電發(fā)電機，在36.1K溫差條件下，功率密度高達22.1W/m2，性能優(yōu)于多數(shù)同類器件。相關(guān)成果已發(fā)表于國際權(quán)威期刊。

微觀結(jié)構(gòu)分析顯示，PVP涂層在Ag?Se納米線表面形成均勻包覆，退火處理后納米線相互連接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。薄膜內(nèi)部存在的孔隙、晶界和位錯等缺陷，有效增強了聲子散射，從而降低熱導(dǎo)率。這種獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計同時提升了材料的塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率，實現(xiàn)了熱電性能的協(xié)同優(yōu)化。實驗數(shù)據(jù)表明，PVP修飾顯著提高了載流子濃度和有效質(zhì)量，這是性能提升的關(guān)鍵因素。在300-420K溫度范圍內(nèi)，該薄膜的電導(dǎo)率和功率因子均優(yōu)于其他兩種復(fù)合薄膜，ZT值在300K時達到0.94，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。

柔韌性測試進一步驗證了材料的實用性。在4mm彎曲半徑下經(jīng)歷1000次彎曲后，PVP@Ag?Se/甲基纖維素薄膜的電導(dǎo)率保持率達93.76%，塞貝克系數(shù)保持率高達96.88%。這種優(yōu)異的機械穩(wěn)定性源于材料的多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計：甲基纖維素和PVP的柔性基質(zhì)、內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)以及與尼龍基底的牢固結(jié)合，共同賦予了薄膜出色的抗彎曲性能。相比之下，多數(shù)已報道的柔性熱電材料在相同測試條件下性能衰減更為明顯。

實際應(yīng)用場景測試展現(xiàn)了該技術(shù)的廣泛適應(yīng)性。研究人員將三腿熱電發(fā)電機貼附于人體前臂，在1.8K微小溫差下即可產(chǎn)生0.70mV電壓，驗證了其在人體熱能收集方面的潛力。集成于口罩中的器件能夠通過呼吸氣流引起的溫差變化監(jiān)測呼吸頻率，區(qū)分正常與快速呼吸狀態(tài)。涂覆TiO?的光熱電器件可將光能高效轉(zhuǎn)換為電能，其開路電壓隨光強增強而顯著上升，在自然光下表現(xiàn)出快速響應(yīng)和長期穩(wěn)定性。環(huán)形器件和分區(qū)觸摸識別結(jié)構(gòu)在位置檢測和局部熱源識別中也表現(xiàn)出高靈敏度。

這項研究通過創(chuàng)新的直寫打印技術(shù)，實現(xiàn)了柔性熱電材料性能與制造工藝的雙重突破。該方法具有制備效率高、過程可控性強、易于規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)勢，為可穿戴設(shè)備的能源自供給和多功能集成提供了切實可行的解決方案。研究開發(fā)的聚合物涂層策略具有普適性，可推廣至其他熱電材料體系，有望推動柔性熱電技術(shù)從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用。