【用户论文分享】《Nat. Commun.》：使用铁电聚合物复合材料进行电子冷却和能量收集

热管理成为下一代电子产品的一大挑战。开发紧凑的固态冷却装置的努力导致了对铁电聚合物的电热效应的探索。尽管最近取得了一些进展，但电热聚合物在高温电子设备上的应用基本上尚未得到探索。

近日，华中科技大学张光祖、南开大学马儒军教授等人在期刊《Nature Communications》上发表了题目为“Electronic cooling and energy harvesting using ferroelectric polymer composites”的文章。该研究报道了由高极化钛酸钡锶纳米纤维和电子接受[6,6]苯基- C61 -丁酸甲酯组成的铁电聚合物复合材料在高温下保持快速的电热响应和稳定的循环性。研究表明，这种复合材料不仅能在高温下有效地冷却电子设备，还能将多余的热能转化为电能，实现冷却与能量收集的双重功能。该复合材料在电场作用下的温度变化显著，具有良好的能量密度和效率。这一发现为下一代电子设备的热管理提供了新的解决方案，具有广泛的应用前景。

图1:介电和铁电性质。

铁电聚合物复合材料的制备过程：

1、钛酸钡锶纳米纤维的制备：

1）溶液制备：将钡乙酸盐和锶乙酸盐按化学计量混合，溶解在醋酸中，形成浓度为0.12 g/mL的溶液。同时，将四丁基钛溶解在乙酰丙酮中，形成浓度为0.3 g/mL的溶液。

2）混合：将上述两种溶液混合，并加入PVP作为聚合物基体，形成均匀的前驱体溶液。

3）静电纺丝：使用永康乐业ET−2535X静电纺丝机制备纳米纤维。

4）热处理：将收集到的纳米纤维在800 °C下进行退火，以提高其结晶度和铁电性能。

2、铁电聚合物复合材料的制备

1）聚合物溶液制备：将[P(VDF-TrFE-CFE)]溶解在DMF中，并在约50 °C下搅拌以形成清澈的溶液。

2）添加BST纳米纤维：将合成的BST纳米纤维加入聚合物溶液中，再次搅拌以确保均匀分散。

3）添加PCBM：对于含有PCBM的复合材料，将PCBM与DMF溶解后加入到聚合物-纳米纤维混合溶液中，确保各组分的均匀性。

4）成膜：将混合溶液铸造到玻璃板上，随后在40-60 °C下干燥，形成薄膜。

5）后处理：将干燥后的薄膜从玻璃上剥离，在90 °C下加热12小时，然后在真空烘箱中以105 °C退火12小时，以进一步提高材料的性能。

图2:复合材料的能带结构和电荷色散。

图3:ECE和热释电能量密度。

图4:该装置的EC冷却和热释电能量收集性能。

关于铁电聚合物的电致冷却效应（ECE），本研究的主要发现包括：

1、增强的ECE性能：将钛酸钡-钛酸锶纳米纤维（BST NFs）引入铁电聚合物复合材料显著提高了电致冷却效应。该复合材料在相对较低的电场（50 MV/m）下表现出高达7.5℃的温度变化（ΔT），在更高电场下甚至可以达到更高的ΔT值。

2、高温下的操作稳定性：研究表明，所开发的聚合物复合材料在高温下仍能保持快速的电致冷却响应和稳定的循环性能，克服了传统电致冷却聚合物通常在50℃以下操作的限制。

3、双重功能：该复合材料不仅作为有效的冷却材料，还能作为热电能量转换器，能够从过热的电子元件（如中央处理器）中收集热能并将其转化为电能。

4、减轻焦耳加热：复合材料的设计有助于抑制电导，最小化由于焦耳加热造成的能量损失，这对于在高电场和高温下维持冷却效率至关重要。

论文连接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51147-6