通过侧链掺杂策略确保结构稳定性……有望应用于可穿戴设备的电源

               (从左开始)郑仁焕教授、张在荣教授、金赫俊博士、金尚范博士研究生
               (从左开始)郑仁焕教授、张在荣教授、金赫俊博士、金尚范博士研究生

 

토토사이트 설탕有机纳米工程专业郑仁焕教授与能源工程专业张在荣教授共同研究团队,成功开发出了可电子供体将热能转换为电能的新型有机热电材料。此次开发的材料不仅如纤维般轻盈柔软,还具备优异的电导率,未来有望通过人体体温发电为可穿戴电子设备提供电力来源。

热电材料通常具备低热导率和高电导率其效率会越好。因此,传统上多采用金属或合金材料。然而,高分子材料由于其轻质、柔软和低毒性的特点,因此作为有机热电材料收到了广泛关注。不过,为了提升高分子材料的电导率,通常需要进行强力掺杂(doping),而最常用的掺杂剂氯化铁(FeCl₃)在高浓度掺杂时却会破坏高分子的晶体结构从而影响其电导性能。

为了解决这一问题,研究团队提出了将掺杂反应的位置从高分子链的“主链(backbone)”转移至“侧链(pendant)”的全新策略。

(左图)为토토사이트 설탕郑仁焕教授与张在荣教授共同研究团队所开发的高分子材料在热电性能上的提升效果 (右图)则展示了该热电材料的侧链掺杂结构与反应机制。
(左图)为토토사이트 설탕郑仁焕教授与张在荣教授共同研究团队所开发的高分子材料在热电性能上的提升效果 (右图)则展示了该热电材料的侧链掺杂结构与反应机制。

研究团队开发了可与主链形成共轭(conjugation)结构的特殊侧链新型电子受体(acceptor)单体,并将该受体与三种具有不同电子供体强度(electron-donating strength)的电子供体(donor)单体共聚,成功合成了三种不同的高分子材料。

研究结果表明,电子供体性较强的高分子会与主链发生较强的掺杂反应,导致晶体结构容易破坏。反而,电子供体性较弱的高分子则在侧链上发生掺杂反应(pendant doping),不仅保持了晶体结构的稳定性,即使在较高掺杂浓度下也展现出优异的热电性能。

通过这一研究,研究团队实验证明了将掺杂机制引导至侧链的“侧链掺杂(pendant doping)”结构,有望成为高性能有机热电材料开发的新方向。

郑仁焕教授表示:“通过此次研究开发的高分子合成技术,有望在可穿戴传感器、物联网等领域所需的高性能热电材料开发中得到广泛应用。”

另外,由科学技术信息通信部的资助(纳米·材料技术开发项目-材料全球 Young Connect、国家战略技术材料开发)和韩国研究财团的资助(基础研究室支持项目)下进行的此次研究成果,已于6月5日发表在了材料科学领域世界权威学术期刊《Advanced Functional Materials》上。

相关论文为《Distinctive Doping Behavior of Conjugated Polymers With Pendant-Side Conjugation for Enhanced Thermoelectric Properties》,由金赫埈博士与金相范博士研究生共同担任第一作者,硕博连读生表承玉为共同作者,张宰英教授与郑仁焕教授共同担任通讯作者。

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