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NEW 金钟铉教授研究组开发出世界最高水平的有机热电能量转换技术
- 2023-10-23
- 2021
2023-10-20
我校金钟铉教授共同研究组开发出了能够最大化高分子导电性的新概念混合溶剂兴奋剂工程。 通过该技术被掺杂的高分子材料有望被用作适用于可穿戴电子设备或自发电独立电源的新一代电子及能源材料。
金钟铉(音)教授(亚洲大学应用化学生命工学系、研究生院分子科学技术系,上图左)研究组表示,利用新的高分子材料和混合溶剂兴奋剂工程,开发出了世界最高水平的高性能热电能量转换元件。 该内容以可以同时提高共轭高分子电导率和热电转换性能的兴奋剂效率优化工程(Enhancing dopant diffusion for ultrahigh electrical conductivity and efficient thermoelectric conversion in conjugated polymers)》为题,刊登在能源领域国际学术杂志《Joule》10月18日刊上。 《Joule(IF:39.8,JCR前0.9%)》是出版生命科学领域著名学术杂志《Cell》的美国Cell出版社(Cell press)的期刊。
高丽大学教授郭相奎（化工生命工学系）、建国大学教授金凤基（化学工学系）、庆尚国立大学教授崔贤浩（纳米、新材料工学系高分子工学专业）研究组共同参与了此次研究。 亚洲大学尹尚恩学生（分子科学技术学硕士博士综合课程，上图右图）、建国大学姜永权博士（化学工学部）、庆尚国立大学林在民学生（纳米新材料融合工学系博士课程）、蔚山科学技术院李智允博士（能源化学工学系）作为共同第一作者参与了此次活动。 亚洲大学研究组负责开发兴奋剂工程,建国大学、庆尚国立大学、高丽大学研究组分别负责▲材料合成▲电气分析▲模拟研究。 亚洲大学教授徐亨卓（尖端新材料工程系）、首尔大学教授姜基勋（材料工程系）、韩国外国语大学教授金泰京（电子物理学系）研究组也一同参与其中。
将光能转换成电能的太阳能电池经过长时间的研究已经商业化。 最近,将日常生活中丢弃的热能转换成电能,用于智能手机和物联网等的热-电能转换技术备受关注。 例如,为了将人体产生的热能利用为电能,在穿戴的衣服上嫁接被掺杂的材料,即使没有其他装置,移动中也可以对智能手机等电子设备充电。 也可以适用于可以贴在人体或衣服上使用的柔软、有弹性的可穿戴设备。
但是,对于现有的无机物热电能量转换材料,虽然能量转换效率很高,但由于材料的毒性、坚硬的物理性和工艺的复杂性等,应用领域一直受到限制。 因此,很多研究者正在努力开发利用包括高分子在内的有机物的有机热电材料和元件。
特别是最近,作为可以将热能转换成电能的"热-电能转换材料",对共轭高分子的研究非常活跃。 共轭高分子是可通电的高分子材料,是代替现有无机物半导体及金属电极的新一代核心材料,备受瞩目。 因为不仅具有半导体性质,还可以进行溶液工程,可以节约工程费用,具有较高的灵活性和伸缩性。 但是,由于电导率低、能量转换效率问题、脆弱的安全性等问题,在商用化上一直经历着困难。
为了利用共轭聚合物将热能转化为电能，需要利用分子掺杂来提高聚合物的电导率。 然而，反过来，电导率的增加会降低热电转换性能的主要指标Zevec系数。 相反,如果电导率相对降低,作为热电转换输出性能的指标的功率因子就会减少。 由于这种相互冲突的物理特性而限制生产输出以及大气不稳定性等问题,是使有机热电元件难以实现高性能化的因素。
对此,共同研究组在同时开发高分子材料及兴奋剂工程方面,寻找解决问题的头绪,寻找同时克服各种局限的方案。 为了开发超高性能有机热电元件,工程开发和材料合成、分析和模拟领域的专家们齐心协力,投入了4年多的研究。 现有的有关提高热电转换性能的研究,分别独立研究了材料和兴奋剂工艺。
分子掺杂是由多潘特分子渗透到高分子薄膜内部而形成的,共同研究组设计和合成了多潘特能够有效渗透的共轭高分子。 研究组还开发出了将渗透的掺杂剂诱导到共轭高分子注射链附近,增进链结晶性的新的混合溶剂兴奋剂工程。
联合研究组将新型兴奋剂技术应用于聚合物中，成功实现了世界最高水平的电导率（>2100 S/cm）和热电转换功率因子（>260 uW/mK2）。 这与现有的以单独溶剂为基础的兴奋剂工程处理的高分子电导率和功率因子相比,分别增加了4倍和5倍。 另外,利用相关技术被掺杂的高分子具有1000小时以上的划时代的大气稳定性,耐久性也很优秀。
研究组还确认,此次发现的混合溶剂兴奋剂工程适用于已经开发或商用化的p型和n型共轭高分子,电导率和热-电转换性能得到了划时代的提高。 同时,新工艺在已经商用化的p型和n型掺杂剂上也全部启动。
金钟铉(音)教授解释说:"我们身体的体温、工厂的各种工程及汽车发动机产生的热等热电转换元件可以利用的热源范围非常多样","利用这些热源可以获得大大小小的电能"