近期，東華大學(xué)紡織學(xué)院張坤研究員S.M.A.R.T.團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)院物理研究所趙懷周研究員、李國棟副研究員、中國科學(xué)院工程熱物理所張挺研究員以及美國西北大學(xué)G. Jeffrey Snyder教授在柔性無機(jī)半導(dǎo)體基熱電織物方面取得新進(jìn)展，研究成果“可規(guī)�；圃烨铱刹眉艉突厥盏哪途眯蜔犭娍椢�--Scalable manufacturing of a durable, tailorable and recyclable multifunctional woven thermoelectric textile system”發(fā)表在英國皇家化學(xué)學(xué)會期刊《能源與環(huán)境科學(xué)--Energy & Environmental Science》。東華大學(xué)紡織學(xué)院2018級博士生景媛媛為第一作者，張坤研究員為通訊作者，中國科學(xué)院物理研究所趙懷周研究員、李國棟副研究員和中國科學(xué)院工程熱物理所張挺研究員為聯(lián)合通訊作者。
織物是人類不可或缺的一部分，將熱電原理與紡織技術(shù)相結(jié)合，得到兼具柔軟、三維共形、透氣透濕、溫度調(diào)節(jié)和能量收集的熱電織物，在人體體表溫度調(diào)控和熱能收集方面具有重要的應(yīng)用價值。課題組近年來致力于開發(fā)可穿著熱電纖維及織物器件（Carbon 2019, 148, 290; Energy & Environmental Materials, 2020,3,67; Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8, 2984; Energy & Environmental Science, 2022,15, 2374; Organic Electronics, 2022, 106, 106535; ACS Applied Materials & Interfaces, 2022,14, 44704）。
本次工作中，團(tuán)隊提出了一種可擴(kuò)展的規(guī)�；圃鞜犭娍椢锏姆椒ǎ褐苯油ㄟ^半自動機(jī)織機(jī)將無機(jī)塊體織入織物。該方法可以連續(xù)織造大面積（1550 平方厘米）、可水洗、機(jī)械耐久的熱電織物。通過對其熱阻的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，熱電織物在環(huán)境溫度為34攝氏度時，可實現(xiàn)11.8度的人體體表制冷溫度，制冷功率為553.7 瓦/平方米；在25 度溫差下，可產(chǎn)生6.13 瓦/平方米的熱電功率密度。在人體穿著場景中，在自建立溫差（15度）下，該熱電織物可為小型手機(jī)鋰電池穩(wěn)定供電。
圖1為熱電織物的示意圖以及實物圖，采用的無機(jī)熱電材料是商業(yè)碲化鉍熱電塊體，直接通過半自動機(jī)織將p型和n型熱電塊體織造到機(jī)織物中。所制備的熱電織物具有非常好的柔性和三維變形，可以被任意角度的彎曲和扭轉(zhuǎn)。為了進(jìn)一步驗證熱電織物規(guī)�；苽涞目赡苄�，團(tuán)隊織造了一塊長度為1米的熱電織物，其面積可以覆蓋人體上半身大部分皮膚。所制備的熱電織物具有優(yōu)異的柔韌性、耐久性和機(jī)械穩(wěn)定性。最小彎曲半徑可以達(dá)到1mm，可與最先進(jìn)的聚合物基熱電器件相媲美。在1000次彎曲和扭轉(zhuǎn)循環(huán)，20次機(jī)洗后，其電阻值的變化小于5%。在8000次制冷操作下熱電織物仍然保持高的熱循環(huán)穩(wěn)定性。在環(huán)境溫度為22~26攝氏度，濕度為20 %~50 %的空氣中，存放18個月，熱電織物的電阻和制冷效果仍然非常穩(wěn)定，表現(xiàn)出優(yōu)越的耐久性能。
人體的熱舒適溫度范圍為32~34 攝氏度。團(tuán)隊對熱電織物的加熱和制冷性能進(jìn)行了測試，并且測試了熱電織物在實際應(yīng)用中對人體的溫度調(diào)節(jié)。熱電織物內(nèi)表面的溫度可以通過控制直流電流的大小和方向來控制。施加的電流值從0 A增加到1.3 A，熱電織物的內(nèi)表面可以升溫20度，在環(huán)境溫度為5 攝氏度的情況下，通過熱電織物的制熱功能，可以將人體的溫度穩(wěn)定的維持在33攝氏度，對人體有著很好的保溫效果。在炎熱的環(huán)境下（37 攝氏度），將直流電切換到相反的方向，熱量會通過Peltier效應(yīng)從織物的內(nèi)表面?zhèn)鞯娇椢锿獗砻�，從而實現(xiàn)制冷功能，對皮膚的冷卻溫差可以達(dá)到11.8度。值得注意的是，在熱電織物不被損壞的情況下，這種冷卻效果可以一直保持。
熱電織物除了可以實現(xiàn)溫度調(diào)控，還可以利用人體與環(huán)境之間普遍存在的溫差，為小型電子設(shè)備持續(xù)供電。在溫差為25度時回路電流可以達(dá)到150mA，熱電織物的最大功率密度為6.13 W/m2。團(tuán)隊進(jìn)一步測試了熱電織物 (30cm×10cm) 在人體實際穿戴中的發(fā)電性能。在環(huán)境溫度為1攝氏度和-3攝氏度，人體溫度為27.5攝氏度和26.8攝氏度，熱電織物兩端自建立溫差為11度和15度，熱電織物的最大輸出電壓分別為0.74 V和1 V。在溫差為15度時，熱電織物可以在人體皮膚上產(chǎn)生最大功率為33.1 mW。它可以穩(wěn)定地為一些便攜式低功耗電子設(shè)備供電，特別是可以應(yīng)用于醫(yī)療保健和環(huán)境監(jiān)測等方面的電子設(shè)備。值得一提的是，所制備的熱電織物成功地實現(xiàn)了給手機(jī)中的鋰離子電池 (600 mAh) 充電，手機(jī)電池完全充滿電需要5.4天。如果使用更大面積的熱電織物，可以滿足更多高功率電子設(shè)備的充電要求，例如給高容量電池的智能手機(jī) (5W) 充電。
通過熱電織物實現(xiàn)人體的溫度調(diào)控，不僅對人體健康而且對減少能源消耗有著非常重要的意義。對人體實現(xiàn)2度的溫度調(diào)控，就可以節(jié)約空調(diào)，新風(fēng)等系統(tǒng)約20 %的能源消耗。熱電織物具有便攜，無噪音，無運功部件和無需額外能量輸入的優(yōu)勢，利用人體和環(huán)境的溫差，實現(xiàn)為多種便攜電子設(shè)備供電，在智能可穿戴和能源存儲方面有著重要價值。雖然所用的材料里面無機(jī)熱電材料成本較高，但是熱電織物可以通過物理拆除等方式，對原料實現(xiàn)綠色回收，可以反復(fù)利用，成功的降低其制備成本，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。
本項研究工作受東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室、東華大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院、國家自然科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)計劃以及中國紡織工程學(xué)會電子紡織材料與制品科研基地等支持。
