來源 | ACS Applied Polymer Materials

原文 | https://doi.org/10.1021/acsapm.3c00481

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背景介紹

隨著微電子技術的快速發展，電子元件尺寸的小型化和頻率的增加，導致巨大的功耗密度，所以會產生較大的熱量。然而，大部分熱能通常通過直接排放到空氣中而不再利用來浪費耗散。而且，熱量積聚還會導致運行性能下降、使用壽命縮短以及安全問題。因此，非常迫切發展出對高效熱管理系統，因為如果熱能能夠有效地作為一種有吸引力的能源進行收集，則有可能減少溫室氣體排放并減少對傳統化石燃料的依賴。近年來，水凝膠基熱電電解質在熱能收集方面得到了廣泛的研究，通過改進電極、電解質和器件，在低成本余熱利用方面取得了巨大進展。然而，基于熱電凝膠不可避免地面臨著極端環境的挑戰；在零下的溫度下，水凝膠不可避免地會凍結并失去導電性和柔韌性，這嚴重限制了低溫環境中的性能和潛在應用。在研究水凝膠基熱電的環境適應性方面投入了大量精力。另一方面，即使在室溫下，由于水的不斷蒸發，水凝膠也缺乏持久的水分，從而阻礙了其長期可用性。因此，研究人員通過各種辦法試圖解決上述問題。由于乙二醇（EG）在工業上被廣泛用作防凍劑，具有良好的防凍性能，而二甲基亞砜DMSO是一種良好的溶劑，具有高沸點和穩定的化學性質，結合DMSO/EG二元溶劑的優點有望制備出一種新的防凍有機凝膠，用于極端應用環境。

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成果掠影

太原理工大學張虎林教授和臺灣大學林宗宏教授針對結合DMSO/EG二元溶劑的優點制備出一種新熱耐低溫的電凝膠。以Fe ^3+/2+氧化還原的方法和二元有機溶劑結合的方式制備了二甲基亞砜(DMSO)/乙二醇(EG)無水熱電凝膠。在0至100%的100個循環應變期間，有機凝膠保持出色的機械穩定性，熱能保持率高達85%，熱電凝膠即使在-80℃的低溫下也能保持優異的抗凍性。暴露在空氣中7天后，熱能顯示出 90% 的高保留率。這些優點是由于DMSO與EG分子之間形成了大量的氫鍵，防止了結晶，同時阻礙了溶劑的蒸發。實驗結果表明，采用DMSO/EG二元溶劑制備的熱電凝膠具有優良的力學性能、透明性、抗干性、抗凍性和穩定的熱電性能。作為應用演示，通過將熱電凝膠放置在充電電池/充電器/芯片表面，它在進行熱電轉換時充當導熱網絡，揭示了同時廢熱回收和熱管理的可行策略。這項研究為創作用于能量回收和自供電可穿戴電子產品的柔性熱電材料提供了新的見解。研究成果以“Anhydrous Thermogalvanic Gel for Simultaneous Waste Heat Recovery and Thermal Management of Electronics”為題發表于《ACS Applied Polymer Materials》。

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圖文導讀

圖1. 熱電水凝膠設計與制備示意圖。

圖2. 有機凝膠的機械性能。

圖3. 熱電凝膠的抗干、抗凍性能。

圖4. 凝膠的熱電性能。

圖5. 基于熱電凝膠的概念證明可用于電子廢熱回收和熱管理。

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