近日，
宾夕法尼亚大学
Shu Yang
（
杨澍
）
研究团队在《
Science Advances
》发表了题为《
Flexible pyroelectric energy harvesters from nanocomposites of liquid crystal elastomers/lead zirconate titanate nanoparticles
》的研究论文
（
Sci. Adv.
2025
,
11, eadt6136
）
，报道了一种新型的柔性热释电能量收集器。该器件利用液晶弹性体（
LCE
）和锆钛酸铅（
PZT
）纳米颗粒的复合材料，通过二次热释电效应显著提高了
能量转换性能，总
热释电系数
p
为
-4.01 nC·cm⁻²·K⁻¹
。实验表明，该器件可有效收集环境温度波动中的热能，并成功驱动
LED
等电子器件，为未来的可穿戴电子设备和自供能系统提供了新的可能性。
论文的共同第一作者为宾夕法尼亚大学博士生
S
hangsong
Li (
李尚松
)
和博士
Yuchen
Wang
（王宇晨）
。
在全球能源短缺和可再生能源利用需求增长的背景下，如何高效地回收和利用环境中的废热成为科研热点。据统计，美国超过
60%
的总发电量以废热形式损失。传统的热电转换方法（如塞贝克效应）在环境温度分布均匀的情况下难以发挥作用，而热释电效应因能够利用温度波动进行能量收集而备受关注。本研究提出了一种基于
L
CE
和
PZT
纳米颗粒的复合材料，该材料不仅具备热释电特性，还能够通过
LCE
产生的热应力增强二次热释电效应，进而提高整体的热电转
换性能
。相比于常见的柔性热释电材料，如聚偏氟乙烯（
PVDF
）
，本研究的
LCE/PZT
复合材料的热释电系数提升了
49%
。
研究团队采用了两步硫醇
-
丙烯酸酯迈克尔加成反应制备
LCE
薄膜，并在其中均匀分散
由甲基丙烯酰氧基硅烷（
TMSPMA
）
表面修饰的
PZT
纳米颗粒。通过调整
LCE
的
液晶分子排列方
式（单畴或多畴）及边界条件（固定或自由），优化了
LCE
对
PZT
纳米颗粒的应力传递效果。
LCE/PZT
复合材料的概念与材料制备。
(A)
通过
LCE
热应力与
PZT
颗粒之间的相互作用产生的二次热释电效应，以增强整体热释电效应的核心概念示意图。
(B)
用于制备
LCE
的单体、链扩展剂和交联剂的分子结构，以及表面修饰的
PZT
。
(C)
原始
PZT
纳米颗粒和改性
PZT
纳米颗粒的 红外光谱。
(D)
负载
42.7 wt% PZT
纳米颗粒的
LCE/PZT
薄膜的横截面
SEM
图像。插图：
PZT
的晶体结构。
(E) LCE/PZT
能量收集器的示意图。
实验表明，在固定边界条件下的单畴
LCE/PZT
复合材料表现出最优的热释电性能。在最高加热速率
0.20 K/s
的条件下，固定单畴
LCE/PZT
（
42.7 wt% PZT
）样品的短路电流达
2.81 nA
，开路电压达
6.23 V
，对应的热释电系数
p
为
-4.01 nC·cm
⁻²·
K
⁻¹
，远超
PVDF
的
-2.70 nC·cm⁻²·K⁻¹
。研究团队通过理论计算和有限元仿真模拟研究了
LCE
对热释电效应的增强机理。多畴
LCE/PZT
复合材料因内部应力相互抵消，未能显著增强二次热释电效应。在固定边界条件下，单畴
LCE/PZT
复合材料因沿取向方向产生较大应力，表现出最强的热释电信号增强效果。
该能量收集器能够在
15
秒内为
0.22 μF
电容充电，并为
LED
供电。在
9
轮循环测试中，设备稳定输出约
3.4 V
电压和 约
1.1 mA
电流，显示出良好的稳定性和可重复性。
LCE/PZT
热释电能量收集器的应用演示。
(A)
利用
LCE/PZT
热释电能量收集器为电容充电并点亮
LED
的电路示意图。
(B)
绿色
LED
在供电前（左）和被
LCE/PZT
能量收集器点亮后（右）的照片。比例尺：
2 cm
。
(C)
和
(D)
分别为
LED
在九个循环过程中的电压
(C)
和电流
(D)
变化曲线，其中粉色区域表示电容充电过程，蓝色区域表示
LED
供电过程。
本研究通过引入
LCE
柔性基体，成功增强了
PZT
纳米材料的热释电效应，为开发高效柔性热能收集器提供了新思路
，
在可穿戴设备、无线传感器、智能电子皮肤等领域具有应用潜力。未来，通过优化材料组成和结构设计，该技术有望进一步提升能量转换效率和输出功率，并拓展至更多的自供能设备领域。
原文链接
：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt6136
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