Научно-исследовательская группа под руководством профессоров Чжан Цянь, Мао Цзюня и Цао Фэна из Института передовых междисциплинарных исследований Шэньчжэньского филиала ХПУ добилась значительного прорыва в области термоэлектрических материалов, успешно разработав первый в своём роде чистый неорганический термоэлектрический аэрогель. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances в статье под заголовком «Высокопроизводительный гибкий неорганический термоэлектрический аэрогель n-типа для сбора энергии» (High-Performance n-Type Flexible Inorganic Thermoelectric Aerogel for Energy Harvesting). Данная разработка открывает новые перспективы для создания легких автономных систем энергоснабжения носимых интеллектуальных устройств.
Термоэлектрические материалы способны напрямую преобразовывать тепловую энергию человеческого тела или окружающей среды в электричество, обладая такими преимуществами, как отсутствие подвижных частей, высокая стабильность и надёжность. Однако традиционные неорганические термоэлектрические материалы обычно характеризуются высокой плотностью, недостаточной гибкостью и некомфортны при ношении. Для решения этой проблемы команда профессоров Чжан Цянь, Мао Цзюня и Цао Фэна совместно с группой профессора Ли Минъюя из Шэньчжэньского филиала ХПУ предложила инновационную стратегию «поэтапного синтеза». Используя аэрогель из серебряных нанопроводников (Ag) в качестве прекурсора и точно контролируя процесс реакции селенирования, исследователи впервые успешно создали чистую неорганическую трёхмерную сеть термоэлектрического аэрогеля на основе нанопроволок селенида серебра (Ag₂Se), что предоставляет новое решение для самопитаемых носимых человеком устройств, аксессуаров, одежды и обуви.
Разработанный термоэлектрический аэрогель на основе селенида серебра обладает высокой пористостью (95 - 99%) и сверхнизкой плотностью (0,04 - 0,54 г/см³). Материал демонстрирует превосходные термоэлектрические характеристики: термоэлектрический коэффициент качества (zT) достигает 0,17 при комнатной температуре и 0,24 при 383 К (110 °С).
Минимальная теплопроводность составляет всего 0,03 Вт/(м·К), что свидетельствует об исключительных теплоизоляционных свойствах. Кроме того, исследовательская группа использовала полиимид (PI) для инкапсуляции материала, сформировав наноразмерный полиимидный слой на поверхности нанопроволок селенида серебра, что значительно улучшило механические свойства материала.
Получение и оптимизация характеристик аэрогеля из нанопроволок Ag₂Se:
(a) схематическое изображение процесса синтеза аэрогеля из нанопроволок Ag₂Se;
(b) фотография сверхлегкого аэрогеля из нанопроволок Ag₂Se;
(c) СЭМ-изображение морфологии аэрогеля из нанопроволок Ag₂Se.
Сравнение с ранее описанными в литературе органическими и углеродными термоэлектрическими аэрогелями:
(d) столбчатая диаграмма значений zT при комнатной температуре;
(e) зависимость абсолютного значения коэффициента Зеебека (|S|) от электропроводности (σ) при комнатной температуре для аэрогеля из нанопроволок Ag₂Se;
(f) схематическое изображение аэрогеля из нанопроволок Ag₂Se@PI. На вставке иображение, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии (масштаб 50 нм).
Данное исследование позволило создать неорганический термоэлектрический аэрогель, сочетающий высокие термоэлектрические характеристики и хорошую механическую гибкость. Это даёт возможность преодолеть существующие в данной области ограничения, связанные с органическими и углеродными материалами. Предложенный метод «поэтапного синтеза» представляет собой универсальный метод для разработки других высокоэффективных гибких неорганических термоэлектрических материалов.
Шэньчжэньский филиал ХПУ является головной организацией, выполнившей данную работу. Ассистент-исследователь Ван Сяодун является первым автором статьи, доцент Чжу Вэньбо является соавтором на равных правах, а профессора Чжан Цянь, Ли Минъюй, Мао Цзюнь и Цао Фэн выступили – авторами-корреспондентами.