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给导电聚合物铺上“高速公路”：科学家发现塑料添加剂可使热电塑料性能直接翻倍

DeepTech深科技 · 公众号 · 科技媒体 · 2025-02-15 19:12

正文

“这相当于给导电聚合物装上了‘高速公路’，让电子跑得更顺畅。” 中国科学院福建物质结构研究所研究员林悦表示。近日，他和团队在半结晶导电聚合物 PBTTT-C14 中添加不到 1% 的成核剂 PDA，相当于在 1 公斤材料里撒了不到 10 克的“魔法粉末”。实验结果令人惊喜：材料结晶度提升 45%，电导率直接翻倍，热电转换效率更是提升了四倍多。

图 | 林悦（来源：林悦）

通过高精度的 X 射线衍射和原子力显微镜观察，他们发现 PDA 分子在材料冷却过程中会自发排列成整齐的“脚手架”，引导聚合物分子像搭积木一样有序堆叠。 这种微观结构的优化，既减少了电子在晶界处的“堵车”现象，又通过后续的离子掺杂工艺给材料“注入能量”，最终实现了性能的跃升。

通过此，他们成功将“传统塑料工业的成核剂技术”与“有机半导体热电材料的性能提升”紧密结合，提供了一条更为简洁可行的加工改性路线，为有机电子学和柔性热电领域开辟了新的思路。

对于相关论文，审稿人认为这是对“热电聚合物领域的一项卓越贡献”，并充分认可了他们在提高 PBTTT-C14 这一重要聚合物热电性能方面所做的努力。审稿人还认为基于“广泛的物理和电子表征揭示了材料结晶度和迁移率的提升”，从而为性能优化提供了有力支撑。同时，审稿人对他们“利用在 PBTTT-C14 中添加 PDA 和离子交换方法来显著提高热电功率因子”的研究兴趣浓厚，这进一步鼓舞该领域在后续的工作中继续挖掘成核剂与有机热电材料相结合的更多潜能，也会对其他半结晶聚合物体系进行更深入和广泛的探索。

在应用前景上：这种轻质、柔软且耐弯折的聚合物热电器件有望嵌入到衣物或其他柔性基底中， 为监测人体健康、生理信号或者提供小功率的能量收集与供应。 可以想象几个画面：登山爱好者的冲锋衣不仅能保暖，还能通过体温差为全球定位系统（GPS，Global Positioning System）设备持续供电；糖尿病患者佩戴的柔性贴片，既能监测血糖又能自供电运行；甚至未来的智能窗帘，白天收集室内外温差发电，晚上自动调节透光度。

（来源 ：Advanced Materials ）

将传统塑料加工理念与导电聚合物相结合

在柔性电子、可穿戴设备和可持续能源等新兴领域，导电聚合物因其轻、薄、柔的特性，被誉为“会发电的布料”。然而，与传统无机热电材料相比，导电聚合物在热电性能（如功率因子）方面长期处于明显劣势，难以在实际应用中取得与无机材料相当的能量转换效率。

问题的根源在于材料内部的微观结构与规整度。传统塑料制品生产中的关键参数——结晶度，直接影响材料的强度和透明度。例如，矿泉水瓶的结晶度越高，瓶身就越硬挺。受此启发，他们想到：既然塑料工业能用“成核剂”来调控结晶度，为什么不能把这个技术迁移到导电聚合物领域呢？

他们试图通过借鉴塑料工业对聚合物结晶度的调控方法（例如添加成核剂），提升有机半导体聚合物的结晶度、降低其电阻和晶界散射，从而显著提高其电导率和热电转换性能。

研究的核心目标在于探索一种简单、高效、可大规模推广的方法，将传统塑料工业行之有效的加工理念与导电聚合物相结合，为柔性电子、可穿戴热电器件等带来更优异的性能与更广泛的应用前景。

“多一克少一克口感完全不同”

据介绍，研究团队在长期的导电聚合物和热电材料研究中发现：半结晶高分子在微观结构优化方面仍然存在较大可提升空间，如何提高结晶度是关键。同时，团队注意到塑料工业在成核剂调控聚合物结晶中已得到较多应用，便萌生了“能否将塑料工业的成核剂理念迁移到导电聚合物热电材料？”的想法。

课题组先是筛选了多种成核剂，包括常见的有机分子及其衍生物，进行小批量试验。借助差示扫描量热法（DSC，differential scanning calorimetry）观察成核过程的温度窗口，结合显微结构表征手段，初步确认了 PDA 能够有效提升 PBTTT-C14 的结晶度。

在系统实验与优化阶段，他们确定了最佳的掺入比例、溶液制膜条件，以及离子交换掺杂与成核剂协同调控的方法。大规模制备对比样品（包括纯聚合物、不同浓度添加的聚合物、引入不同掺杂体系等），并系统测量其电导率、塞贝克系数和热电功率因子。

通过原子力显微镜（AFM，Atomic Force Microscope）、广角 X 射线散射技术、DSC 等手段，课题组从微观尺度揭示了 PDA 在冷却过程中逐步自组装并诱导聚合物链堆叠的过程。同时，他们还分析了晶界电阻、离子掺杂效率等关键参数，以阐明晶体有序度与载流子输运之间的内在联系。

日前，相关论文以《通过简单添加成核剂提高半结晶导电聚合物的热电性能》（ Boosting Thermoelectric Performance of Semicrystalline Conducting Polymers by Simply Adding Nucleating Agent ）为题发在 Advanced Materials [1]。

（来源： Advanced Materials ）

事实上，“把塑料成核剂用到半导体聚合物上”的想法源于与塑料加工企业的交流。在该项研究开展之前，他们去参观一家塑料制品企业时，工程师随口提到：“我们调整成核剂配比就像厨师调盐，多一克少一克口感完全不同。”这句话突然点醒了他们，既然塑料加工能通过成核剂精确控制结晶度，导电聚合物为什么不能借鉴这个思路？

研究团队非常重视和企业的交流与合作，频繁与从事高分子改性研究的工程师和企业资深人员进行深入探讨。这种工业技术与基础研究的碰撞，往往能迸发最绚丽的火花。

而在未来：

首先，他们将拓展更多成核剂体系。目前，他们正在搭建一个“成核剂数据库”，系统研究不同分子结构对各类导电聚合物的调控规律。就像化学家寻找催化剂那样，他们希望能够找到某些“明星分子”，以便能够同时提升多种材料的性能。团队计划继续探索其他类型的成核剂，特别是具有更强相互作用或特殊功能基团的分子，力争在保持高结晶度的同时，进一步提升电导率、优化塞贝克系数，获得更高的热电转换效率。

其次，他们将方法拓展到其他有机半导体体系。PBTTT-C14 只是半结晶有机半导体材料的代表之一，团队希望把这一思路在更多聚合物中进行验证，寻找通用化的提升方案。

再次，他们将开展产业化可行性测试。若能进一步简化制备工艺、提高稳定性、降低成本，团队希望与企业合作，推动其在可穿戴传感器、柔性发电织物等原型产品中的落地应用，并进行小批量生产与现场测试。

林悦补充称：“我想分享两个关键词：敬畏与突破。”要对传统工业数十年积累的技术智慧保持敬畏，很多看似普通的工艺背后，可能都蕴含着深刻的科学原理。就像这次他们借鉴的成核剂技术，在塑料行业已经应用了半个世纪。很多在传统工业中行之有效的经验，可能在前沿材料与器件中依旧大有可为。跨领域的沟通与交叉融合，往往能激发更多新思路和新奇迹。

同时，要对行业趋势有着良好判断。随着柔性电子与可穿戴技术的日益发展，轻便、可弯折且兼具高性能的热电材料需求量将不断增加。本研究所展示的成核剂方法是一个极具潜力的方向，林悦表示希望更多科研团队或企业能加入到这个领域，共同推进技术成熟与商业化落地。

参考资料：

1.Chen Chen, Yue Lin* et al., Boosting Thermoelectric Performance of Semicrystalline Conducting Polymers by Simply Adding Nucleating Agent, Advanced Materials , 2025. DOI: 10.1002/adma.202417594

排版：希幔

给导电聚合物铺上“高速公路”：科学家发现塑料添加剂可使热电塑料性能直接翻倍

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