近期，東華大學紡織學院張坤研究員S.M.A.R.T.團隊聯合中國科學院物理研究所趙懷周研究員、李國棟副研究員、中國科學院工程熱物理所張挺研究員以及美國西北大學G. Jeffrey Snyder教授在柔性無機半導體基熱電織物方面取得新進展，研究成果“可規模化制造且可裁剪和回收的耐久型熱電織物--Scalable manufacturing of a durable, tailorable and recyclable multifunctional woven thermoelectric textile system”發表在英國皇家化學學會期刊《能源與環境科學--Energy & Environmental Science》。東華大學紡織學院2018級博士生景媛媛為第一作者，張坤研究員為通訊作者，中國科學院物理研究所趙懷周研究員、李國棟副研究員和中國科學院工程熱物理所張挺研究員為聯合通訊作者。

　　織物是人類不可或缺的一部分，將熱電原理與紡織技術相結合，得到兼具柔軟、三維共形、透氣透濕、溫度調節和能量收集的熱電織物，在人體體表溫度調控和熱能收集方面具有重要的應用價值。課題組近年來致力于開發可穿著熱電纖維及織物器件（Carbon 2019, 148, 290; Energy & Environmental Materials, 2020,3,67; Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8, 2984; Energy & Environmental Science, 2022,15, 2374; Organic Electronics, 2022, 106, 106535; ACS Applied Materials & Interfaces, 2022,14, 44704）。

　　本次工作中，團隊提出了一種可擴展的規模化制造熱電織物的方法：直接通過半自動機織機將無機塊體織入織物。該方法可以連續織造大面積（1550 平方厘米）、可水洗、機械耐久的熱電織物。通過對其熱阻的系統優化設計，熱電織物在環境溫度為34攝氏度時，可實現11.8度的人體體表制冷溫度，制冷功率為553.7 瓦/平方米；在25 度溫差下，可產生6.13 瓦/平方米的熱電功率密度。在人體穿著場景中，在自建立溫差（15度）下，該熱電織物可為小型手機鋰電池穩定供電。

　　圖1為熱電織物的示意圖以及實物圖，采用的無機熱電材料是商業碲化鉍熱電塊體，直接通過半自動機織將p型和n型熱電塊體織造到機織物中。所制備的熱電織物具有非常好的柔性和三維變形，可以被任意角度的彎曲和扭轉。為了進一步驗證熱電織物規模化制備的可能性，團隊織造了一塊長度為1米的熱電織物，其面積可以覆蓋人體上半身大部分皮膚。所制備的熱電織物具有優異的柔韌性、耐久性和機械穩定性。最小彎曲半徑可以達到1mm，可與最先進的聚合物基熱電器件相媲美。在1000次彎曲和扭轉循環，20次機洗后，其電阻值的變化小于5%。在8000次制冷操作下熱電織物仍然保持高的熱循環穩定性。在環境溫度為22~26攝氏度，濕度為20 %~50 %的空氣中，存放18個月，熱電織物的電阻和制冷效果仍然非常穩定，表現出優越的耐久性能。

　　人體的熱舒適溫度范圍為32~34 攝氏度。團隊對熱電織物的加熱和制冷性能進行了測試，并且測試了熱電織物在實際應用中對人體的溫度調節。熱電織物內表面的溫度可以通過控制直流電流的大小和方向來控制。施加的電流值從0 A增加到1.3 A，熱電織物的內表面可以升溫20度，在環境溫度為5 攝氏度的情況下，通過熱電織物的制熱功能，可以將人體的溫度穩定的維持在33攝氏度，對人體有著很好的保溫效果。在炎熱的環境下（37 攝氏度），將直流電切換到相反的方向，熱量會通過Peltier效應從織物的內表面傳到織物外表面，從而實現制冷功能，對皮膚的冷卻溫差可以達到11.8度。值得注意的是，在熱電織物不被損壞的情況下，這種冷卻效果可以一直保持。

　　熱電織物除了可以實現溫度調控，還可以利用人體與環境之間普遍存在的溫差，為小型電子設備持續供電。在溫差為25度時回路電流可以達到150mA，熱電織物的最大功率密度為6.13 W/m2。團隊進一步測試了熱電織物 (30cm×10cm) 在人體實際穿戴中的發電性能。在環境溫度為1攝氏度和-3攝氏度，人體溫度為27.5攝氏度和26.8攝氏度，熱電織物兩端自建立溫差為11度和15度，熱電織物的最大輸出電壓分別為0.74 V和1 V。在溫差為15度時，熱電織物可以在人體皮膚上產生最大功率為33.1 mW。它可以穩定地為一些便攜式低功耗電子設備供電，特別是可以應用于醫療保健和環境監測等方面的電子設備。值得一提的是，所制備的熱電織物成功地實現了給手機中的鋰離子電池 (600 mAh) 充電，手機電池完全充滿電需要5.4天。如果使用更大面積的熱電織物，可以滿足更多高功率電子設備的充電要求，例如給高容量電池的智能手機 (5W) 充電。

　　通過熱電織物實現人體的溫度調控，不僅對人體健康而且對減少能源消耗有著非常重要的意義。對人體實現2度的溫度調控，就可以節約空調，新風等系統約20 %的能源消耗。熱電織物具有便攜，無噪音，無運功部件和無需額外能量輸入的優勢，利用人體和環境的溫差，實現為多種便攜電子設備供電，在智能可穿戴和能源存儲方面有著重要價值。雖然所用的材料里面無機熱電材料成本較高，但是熱電織物可以通過物理拆除等方式，對原料實現綠色回收，可以反復利用，成功的降低其制備成本，實現經濟效益最大化。

　　本項研究工作受東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室、東華大學科學技術研究院、國家自然科學基金、科技部重點研發計劃以及中國紡織工程學會電子紡織材料與制品科研基地等支持。