IF：86.2！中科院化學所，最新Nature Reviews Materials

有機熱電材料邁向實用化：十年愿景與挑戰(zhàn)

全球每年有超過60%的能源以廢熱形式散失，其中大部分屬于低于400 K的低品位熱能。傳統(tǒng)無機熱電材料雖已實現(xiàn)一定規(guī)模應用，但其剛性和高成本限制了在柔性電子等新興領域的推廣。近年來，有機熱電材料因具備輕質(zhì)、柔性和可溶液加工等優(yōu)勢而備受關注，其熱電性能不斷提升，已逐步接近商用無機材料的水平。然而，如何進一步提高其轉換效率、實現(xiàn)穩(wěn)定應用，仍是該領域面臨的核心挑戰(zhàn)。

中國科學院化學研究所狄重安研究員、王東洋博士指出，有機熱電材料正從實驗室原型走向實際器件，并有望在室溫附近性能超越無機材料。文章提出了未來十年的重點研究方向：探索軟材料的熱電轉換極限、設計用于精準溫控的有機熱電材料，并拓展其在傳統(tǒng)發(fā)電以外的應用。相關評論文章以“Next steps for organic thermoelectrics”為題，發(fā)表在Nature Reviews Materials上。

文章首先強調(diào)，推動熱電轉換極限的關鍵在于實現(xiàn)“聲子玻璃-電子晶體”的理想特性。有機材料雖天生具有低聲子導熱系數(shù)，但其結構無序和弱分子間作用力也限制了電荷傳輸。為此，研究者提出兩種分子設計策略：一是通過無側鏈聚合物的多尺度結構工程，在優(yōu)化電荷傳輸網(wǎng)絡的同時抑制熱傳導；二是通過共軛主鏈增強電荷傳輸或通過側鏈結構設計降低聲子散射。這些策略為設計高性能PGEC型聚合物指明了方向。

在理論建模方面，傳統(tǒng)晶格模型難以準確描述軟材料中的動態(tài)熱過程。文章指出，結合機器學習方法建立理論框架，闡明熱電轉換機制并預測ZT值，將極大加速材料開發(fā)。通過“設計-制備-測試-學習”一體化流程，可以實現(xiàn)對候選材料的快速篩選與精準優(yōu)化。

除了發(fā)電，有機熱電材料在柔性制冷領域也展現(xiàn)出潛力。例如，已有研究利用珀耳帖效應在3秒內(nèi)實現(xiàn)超過40 K的溫差，但持續(xù)穩(wěn)定的制冷仍面臨挑戰(zhàn)。高效制冷需要材料同時具備高電導、高功率因子和高ZT值。目前，高遷移率、低摻雜濃度的共軛聚合物有望實現(xiàn)這一平衡，但其分子設計仍需克服載流子濃度調(diào)控和結構有序化等難題。

文章進一步指出，有機熱電材料的弱分子相互作用和多功能特性使其能夠超越傳統(tǒng)能量轉換應用。例如，結合光熱轉換與熱電效應可實現(xiàn)高效兩級光-熱電能量收集；高彈性有機熱電材料（如可承受150%應變的n型彈性體）適用于可穿戴設備；而離子凝膠體系甚至能在深海等極端高壓環(huán)境中工作。此外，通過磁場與溫度梯度耦合可產(chǎn)生顯著能斯特效應，這為開發(fā)有機自旋熱電材料提供了新思路。熱電輸出還可用于自供電傳感，如為人形機器人電子皮膚提供溫壓感知功能。

展望未來，有機熱電材料的實用化進程需在多個關鍵領域取得突破：建立適用于聚合物的理論模型以預測性能極限；通過分子工程、精細摻雜和封裝技術提升材料穩(wěn)定性；開發(fā)可印刷的熱電油墨，用于纖維和曲面涂層；集成大面積柔性器件，實現(xiàn)毫瓦級可穿戴發(fā)電和5–10 K的實用制冷；并積極探索混合能量收集、自旋熱電等新型應用方向。

通過跨化學、材料科學、器件工程與系統(tǒng)集成的協(xié)同創(chuàng)新，有機熱電技術有望在未來十年重新定義柔性熱電的邊界，在可持續(xù)熱管理、能源架構和自供電技術中發(fā)揮更重要的作用。