光电信息学院张光祖在柔性能量收集材料与器件领域获进展

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近日，《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science，影响因子29.518）在线刊发了光电信息学院张光祖副教授最新研究成果《应用于机械和热能收集的具有三维联通结构的柔性压电复合材料》（Flexible Three-Dimensional Interconnected Piezoelectric Ceramic Foam based Composites for Highly Efficient Thermo-Mechanical Energy Harvesting. DOI: 10.1039/c8ee00595h）。张光祖为论文第一作者，我校“长江学者”讲座教授王庆为通讯作者。研究与宾夕法尼亚州立大学工程科学与机械系Sulin Zhang教授（共同通讯作者）团队合作完成。

　　能源问题是伴随人类社会发展的永恒话题。如能通过柔性材料与器件将人体活动的机械能和人体周围的热能有效转换成电能，将有望解决人体可植入医疗器件的供电问题，为健康事业的发展做出重要贡献。同时，柔性能量转换材料与器件还可为可穿戴电子器件和智能电子设备（如手机、笔记本电脑等）提供电能，给我们的工作与生活带来便利。铁电材料特有的自发极化效应使其集压电和热释电性于一身，可单独或同时将机械能和热能转换成电能，是重要的能量收集与转换材料。无机铁电材料（如铁电陶瓷和单晶等）电学性能较好，却不具柔性；铁电聚合物等有机铁电体柔性好，但能量转换能力远不及无机铁电体。为综合两种材料的优势，直觉告诉我们应将无机铁电材料作为颗粒填充物添加到柔性聚合物中，形成复合材料。这种方法虽然简单，但效果欠佳。由于性能优异的无机铁电颗粒被柔软且热导率较低的有机材料包裹，外界施加的应力和热量较难快速有效地传递给填充物，致使复合材料的机械能和热能转换成电能的能力不理想。

　　针对柔性能量收集材料与器件的这一难题，研究团队旨在打破了复合材料内应力和热量传递法则，提出并设计了基于三维网状联通结构的复合能量收集材料（图1）。通过理论计算，研究团队发现，三维网状结构复合材料的机械应力传输效率较普通复合材料高出4个数量级，且传热速度是普通复合材料的5倍，这意味着如能实现团队设计的三维网状联通结构的复合能量收集材料的制备，传统复合材料的应力和热传导瓶颈将被突破，基于该材料的能量收集器件性能将取得重大进展。

图1 有限元计算的不同类型复合材料的应力和压电电势分布图。与颗粒复合材料（图a-d）和纳米线复合材料（图i-h）等零维和一维复合材料相比，本文设计的三维网状联通复合材料（图m-p）的应力传输效率提升了4个数量级，其压电能量转换能力将得到显著提高。

　　然而，如何通过简单、有效且成本低廉的方法实现三维网状联通结构铁电陶瓷的制备，再次成为困扰研究团队的一道难题。“非常有意思的是，灵感来自于一次擦桌子”，张光祖介绍。经常用于擦窗户和桌子等用到的海绵是由具有多孔结构的聚氨酯构成（图2），该结构的聚氨酯通过毛细作用具有理想的吸水效果。“我们想到如果用海绵去吸陶瓷溶胶，待溶胶凝固成凝胶并经高温烧结，有望制备具有和海绵类似的多孔铁电陶瓷骨架”。经过不懈努力，团队成功实现了这一构想。以价格低廉的聚氨酯海绵作为模板，大面积制备了基于三维网状联通结构铁电陶瓷的柔性复合能量收集材料（图3），并使材料的机械能和热能转换成电能的能力较传统复合材料提升了8倍和4倍。研究为基于铁电效应的机械能和热能能量收集材料与器件的研究、设计和制备提供了全新思路，对能源材料与器件领域的发展具有重要意义。

图2 清洁用聚氨酯海绵照片及其微观结构

图3 研究团队制备的柔性能量收集材料。（a）材料制备工艺示意图；（b-e）具有三维网状联通结构的压电陶瓷微结构图和元素分布情况；（f）复合材料照片及其柔性情况。

　　研究得到了国家自然科学基金面上（51772108, U1532146, 61675076）和联合国家重点研发计划（2016YFB0402705）项目的支持。