清華新聞網(wǎng)9月10日電 以電子或空穴為載流子的電子型熱電材料經(jīng)歷了近兩百年的發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用于熱能回收、太空探測(cè)和物聯(lián)網(wǎng)傳感等領(lǐng)域。然而，較低的塞貝克系數(shù)（~0.1 mV K-1），限制了電子熱電能量效率的進(jìn)一步提升。近年來(lái)，基于索雷特（Soret）效應(yīng)的離子熱電材料取得了令人矚目的進(jìn)展，離子塞貝克系數(shù)可達(dá)電子熱電材料的100倍以上，并且在低成本、柔性化、自修復(fù)、易加工等方面有顯著優(yōu)勢(shì)，為微電子器件自供能、高靈敏傳感應(yīng)用和熱電效率提升開(kāi)辟了全新途徑。然而，離子不能直接進(jìn)入外電路，只能聚集在電極處，通過(guò)電容器模式間歇性地輸出電能，并且需要持續(xù)更換冷、熱源才能驅(qū)動(dòng)離子連續(xù)往復(fù)熱遷移并發(fā)電。上述模式中離子的緩慢積累和頻繁熱源更換嚴(yán)重降低了離子熱電效率和實(shí)用性。
清華大學(xué)航院張興教授、馬維剛副教授課題組和鄭州大學(xué)王珂教授、宋東興研究員（直聘）課題組合作，開(kāi)發(fā)了離子熱電傳送帶運(yùn)行模式，以熱驅(qū)動(dòng)離子拖曳電子形成持續(xù)電子電流，克服了電容器模式對(duì)離子累積和熱源交換的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)了恒定溫差下的連續(xù)發(fā)電。如圖1所示，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)U形混合傳導(dǎo)離子熱電材料，材料內(nèi)部離子通過(guò)庫(kù)侖力吸附電子形成離子-電子摩擦力（ion-electronic friction），該摩擦力使得熱擴(kuò)散離子能夠拖曳電子一起運(yùn)動(dòng)，像傳送帶傳送貨物一樣，因此稱(chēng)為傳送帶模式。將U形引腳浸潤(rùn)入鹽溶液中形成閉合離子回路，離子到達(dá)冷端后通過(guò)溶液返回?zé)犭姴牧系臒岫耍纬沙掷m(xù)離子電流；傳送至冷端的電子走外部電子回路返回?zé)岫耍M(jìn)而對(duì)負(fù)載供能。實(shí)驗(yàn)測(cè)量引腳浸潤(rùn)前后電壓發(fā)生反轉(zhuǎn)，證明了冷端由陽(yáng)離子積累轉(zhuǎn)變?yōu)閭魉蛠?lái)的電子積累，多模塊串聯(lián)器件測(cè)試發(fā)現(xiàn)，傳送帶模式具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，發(fā)電功率和效率比電容器模式有數(shù)量級(jí)的提升。采用電子能譜表征了電容器模式和傳送帶模式的離子濃度分布，發(fā)現(xiàn)傳送帶模式濃度梯度更低，表明離子可以循環(huán)流動(dòng)而非持續(xù)積累，支持了傳送帶模式的連續(xù)發(fā)電機(jī)制。
圖1.（a）離子熱電傳送帶模式示意圖（b）U形混合傳導(dǎo)離子熱電膜實(shí)驗(yàn)裝置圖（c）浸潤(rùn)形成離子回路前后電壓結(jié)果圖（d）多離子熱電單體串聯(lián)器件測(cè)試圖（e）器件輸出電壓結(jié)果圖（f）熱電膜在溫差方向的電鏡照片（g）光學(xué)照片（h）傳統(tǒng)模式下離子濃度的EDS掃描（i）電容器模式下離子濃度的EDS掃描
如圖2所示，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了傳送帶模式的理論模型，采用第一性原理計(jì)算與分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合，揭示了陽(yáng)離子吸附于電子導(dǎo)體表面并與電子“綁定”的微觀機(jī)制，直觀展示了離子遷移過(guò)程中電子的伴隨移動(dòng)，導(dǎo)出了離子-電子摩擦系數(shù)表達(dá)式并得出典型結(jié)果，證明在良好摻混狀態(tài)下，離子-電子摩擦力足以作為媒介將離子電流充分轉(zhuǎn)化為電子電流。L形離子熱電膜實(shí)驗(yàn)排除了液體浸潤(rùn)的作用，證明了完整離子回路是傳送帶模式運(yùn)行的關(guān)鍵。綜合實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果，推導(dǎo)獲得了傳送帶模式的功率因子和熱電優(yōu)值系數(shù)表達(dá)式，為性能的進(jìn)一步提升指明了方向。
相關(guān)研究成果以“傳送帶模式實(shí)現(xiàn)連續(xù)的離子熱電轉(zhuǎn)換”（Conveyor mode enabling continuous ionic thermoelectric conversion）為題，于9月8日在線發(fā)表于《焦耳》（Joule）。
圖2.（a）傳送帶模式中離子和電子相互作用示意圖（b）等效電路圖（c）離子吸附在電子導(dǎo)體的電荷轉(zhuǎn)移圖（d）L形單側(cè)浸潤(rùn)離子熱電膜電壓測(cè)量圖（e）分子動(dòng)力學(xué)模擬原子分布圖（f）離子-電子摩擦系數(shù)分布圖（g）離子徑向分布函數(shù)圖
鄭州大學(xué)直聘研究員宋東興（清華大學(xué)航院博士畢業(yè)生）、清華大學(xué)航院2020級(jí)博士生趙春雨為論文共同第一作者。清華大學(xué)航院馬維剛副教授為論文通訊作者。其他合作者包括清華大學(xué)航院教授張興、鄭州大學(xué)教授王珂和清華大學(xué)航院碩士生陳斌。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家博新計(jì)劃、博士后基金和清華-豐田聯(lián)合基金等的資助。
論文鏈接：
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(24)00357-X
供稿：航院
題圖設(shè)計(jì)：韓羽臻
編輯：李華山
審核：郭玲
