晴天時，太陽光的直接輻射會加熱人體周圍的空氣，使得人體周圍環境溫度升高；同時，到達人體服裝的太陽光也會加熱服裝的表面，使得被陽光照射部位的服裝吸收轉換太陽能后，其表面溫度會高于人體體表溫度。此時，所產的熱能將由人體外部向人體體表進行傳遞。而當人體處在沒有陽光直射的環境（如夜晚，陰天，雨天，雪天等）時，人體體表的溫度則會高于外部大氣環境溫度。此時，人體熱量則是從人體體表流向外部大氣環境。綜上可知，當人處在不同的大氣環境中時，人體微環境中則會產生不同方向的溫度梯度。因此，人體微環境中熱能（人體自身熱輻射和外界熱輻射）的收集、轉化對于延長可穿戴電子產品的使用壽命具有重大的意義。
天津工業大學李婷婷副教授與臺灣逢甲大學林佳弘特聘教授、亞洲大學樓靜文特聘教授合作，基于前期對PEDOT:Tos 涂層織物低溫界面聚合工藝參數的優化（Prog Org Coat 2020.105919; Smart Mater. Struct. 2021. 30 015003），提出一種基于PEDOT/ PPy雙殼結構的光熱電轉換復合織物。研究內容以“Dual-Shell Photothermoelectric Textile Based on a PPy Photothermal Layer for Solar Thermal Energy Harvesting”為題發表在一區TOP期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》上(影響因子9.229)。
雙殼結構光熱電織物制備
具有本征柔性的有機導電聚合物適合加工制備柔性可穿戴器件。其中，PEDOT還兼具優異的熱電性能，而PPy則具有優異的光熱轉換性能。基于此，通過PEDOT和PPy材料的協同作用則可開發出具有良好光熱電轉換的PEDOT-PPy復合織物。如圖1a所示，以聚丙烯非織布為基底，采用低溫界面聚合獲得PP-PEDOT-PPy光熱電復合織物。所制備織物具有柔軟、可導電的特性，可用于柔性可穿戴器件。
圖1 雙殼結構熱電織物的制備過程及其柔性和導電性演示
圖2 PP-PEDOT-PPy復合織物的 SEM觀察和EDS分析
低溫界面聚合使PP-PEDOT-PPy纖維獲得由內至外的雙殼結構，如圖2所示。其中， PEDOT層作為熱電層（內殼），驅動熱電轉化；PPy層作為光熱層（外殼），完成光熱轉化。通過光熱層和熱電層的協同作用，可以同時實現光能--電能的一體轉化。
圖3 熱電手環設計，及其使用場景示意圖
為了實現光熱電織物在可穿戴領域應用，基于熱電組件基本原理，以PP-PEDOT-PPy熱電織物作為p極，以PP-Ag導電織物為n極，在低導熱基底上構建出可貼附于皮膚表面的柔性織物熱電手環，如圖3所示。該手環無論有無陽光照射，均可不間斷地收集人體微環境中的熱能。
圖4織物熱電手環輸出電壓穩定性測試
采用13對p-n熱電腳組裝的織物熱電手環在紅外燈照射下，表現出良好的光熱電轉化效果，輸出電壓可達2mV左右。此外，在實際環境測試中，在陽光直接照射前后，織物熱電手環的輸出電壓從0.083mV上升到0.677mV。而在收集人體熱能時，輸出電壓可從0.007mV提升到0.187mV。由此可見所制備的織物熱電手環可以收集人體微環境熱能。此外，該織物熱電手環輸出電壓表現出良好的穩定性（見圖4）。
綜上所述，制備的雙殼結構PP-PEDOT-PPy熱電織物，具有優異的熱電、光熱轉化性能。以PP-PEDOT-PPy織物、PP-Ag織物和低熱導率紡織基底組裝的織物光熱電手環，可以成功實現對人體微環境的熱能收集和轉化。這項工作表明，高柔性、低成本的光熱電織物在可穿戴熱電設備中具有潛在的應用前景。該研究得到國家自然科學基金、福建省自然科學基金和天津市自然科學基金的支持。論文的第一作者為天津工業大學紡織科學與工程學院張雪飛博士，天津工業大學李婷婷副教授、臺灣逢甲大學林佳弘特聘教授和臺灣亞洲大學樓靜文特聘教授為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、福建省自然科學基金和天津市自然科學基金的支持。
論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c16401
