新型高性能聚合物热电材料研发成功

记者25日从中国科学院化学研究所获悉，该所科研人员与其他科学家合作，研发出新型高性能聚合物热电材料——PMHJ薄膜。相对于普通聚合物薄膜，PMHJ薄膜有望大幅提升材料的热电性能，为高性能塑料基热电材料研究提供全新思路。相关成果在线发表于《自然》杂志。

碳元素可以与氢、氧、氮、磷、硫等元素形成化学键，从而构建出各种有机分子，这些分子单体可以通过周期性键合形成高分子量的聚合物。目前，人工合成的聚合物，尤其是塑料，已经成为人们日常生活和高科技领域不可缺少的材料。

导电聚合物不但具有和传统塑料类似的柔性、易加工性和低成本等特点，还可以通过分子设计和化学掺杂携带电荷，从而表现出导电性。更为神奇的是，很多导电聚合物可以作为热电材料。也就是说，当聚合物薄膜两端的温度出现高低差时，材料两端就会产生电动势，即塞贝克效应；而当在材料两端构建导电回路并施加电压时，导电塑料薄膜的两端也会产生温度差。

高性能热电材料应具备高塞贝克系数、高电导率和低热导率，而理想的模型就是“声子玻璃-电子晶体”模型。“具体来说，材料需要像玻璃一样阻挡热量传导，但又像晶体一样允许电荷自由移动，也就是让声子寸步难行，而让电荷畅通无阻。”科研人员解释，科学界普遍认为，聚合物具有声子玻璃特征，从而具有本征低热导率。而实际上，很多高电导聚合物薄膜具有有序分子排列的结晶区，和理想的“声子玻璃”有很大差异，直接制约了聚合物热电性能的提高。

科研人员此次利用两种不同的聚合物，研发出具有不同结构特征的PMHJ薄膜。该薄膜不但可以保证有效的电荷传输，还可以高效散射声子与类声子传播。

业内专家认为，这项研究打破了现有高性能聚合物热电材料不依赖热输运调控的认知局限，为塑料基热电材料领域的持续发展提供了新路径。