近期，东华大学纺织学院张坤研究员S.M.A.R.T.团队联合中国科学院物理研究所赵怀周研究员、李国栋副研究员、中国科学院工程热物理所张挺研究员以及美国西北大学G. Jeffrey Snyder教授在柔性无机半导体基热电织物方面取得新进展，研究成果“可规模化制造且可裁剪和回收的耐久型热电织物--Scalable manufacturing of a durable, tailorable and recyclable multifunctional woven thermoelectric textile system”发表在英国皇家化学学会期刊《能源与环境科学--Energy & Environmental Science》。东华大学纺织学院2018级博士生景媛媛为第一作者，张坤研究员为通讯作者，中国科学院物理研究所赵怀周研究员、李国栋副研究员和中国科学院工程热物理所张挺研究员为联合通讯作者。

织物是人类不可或缺的一部分，将热电原理与纺织技术相结合，得到兼具柔软、三维共形、透气透湿、温度调节和能量收集的热电织物，在人体体表温度调控和热能收集方面具有重要的应用价值。课题组近年来致力于开发可穿着热电纤维及织物器件（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，团队提出了一种可扩展的规模化制造热电织物的方法：直接通过半自动机织机将无机块体织入织物。该方法可以连续织造大面积（1550 平方厘米）、可水洗、机械耐久的热电织物。通过对其热阻的系统优化设计，热电织物在环境温度为34摄氏度时，可实现11.8度的人体体表制冷温度，制冷功率为553.7 瓦/平方米；在25 度温差下，可产生6.13瓦/平方米的热电功率密度。在人体穿着场景中，在自建立温差（15度）下，该热电织物可为小型手机锂电池稳定供电。

图1 热电织物示意图及实物图

图2 热电织物加热、制冷以及发电性能表征

图1为热电织物的示意图以及实物图，采用的无机热电材料是商业碲化铋热电块体，直接通过半自动机织将p型和n型热电块体织造到机织物中。所制备的热电织物具有非常好的柔性和三维变形，可以被任意角度的弯曲和扭转。为了进一步验证热电织物规模化制备的可能性，团队织造了一块长度为1米的热电织物，其面积可以覆盖人体上半身大部分皮肤。所制备的热电织物具有优异的柔韧性、耐久性和机械稳定性。最小弯曲半径可以达到1mm，可与最先进的聚合物基热电器件相媲美。在1000次弯曲和扭转循环，20次机洗后，其电阻值的变化小于5%。在8000次制冷操作下热电织物仍然保持高的热循环稳定性。在环境温度为22~26摄氏度，湿度为20 %~50 %的空气中，存放18个月，热电织物的电阻和制冷效果仍然非常稳定，表现出优越的耐久性能。

人体的热舒适温度范围为32~34 摄氏度。团队对热电织物的加热和制冷性能进行了测试，并且测试了热电织物在实际应用中对人体的温度调节。热电织物内表面的温度可以通过控制直流电流的大小和方向来控制。施加的电流值从0 A增加到1.3 A，热电织物的内表面可以升温20度，在环境温度为5 摄氏度的情况下，通过热电织物的制热功能，可以将人体的温度稳定的维持在33摄氏度，对人体有着很好的保温效果。在炎热的环境下（37 摄氏度），将直流电切换到相反的方向，热量会通过Peltier效应从织物的内表面传到织物外表面，从而实现制冷功能，对皮肤的冷却温差可以达到11.8度。值得注意的是，在热电织物不被损坏的情况下，这种冷却效果可以一直保持。

热电织物除了可以实现温度调控，还可以利用人体与环境之间普遍存在的温差，为小型电子设备持续供电。在温差为25度时回路电流可以达到150mA，热电织物的最大功率密度为6.13 W/m2。团队进一步测试了热电织物 (30cm×10cm) 在人体实际穿戴中的发电性能。在环境温度为1摄氏度和-3摄氏度，人体温度为27.5摄氏度和26.8摄氏度，热电织物两端自建立温差为11度和15度，热电织物的最大输出电压分别为0.74 V和1 V。在温差为15度时，热电织物可以在人体皮肤上产生最大功率为33.1 mW。它可以稳定地为一些便携式低功耗电子设备供电，特别是可以应用于医疗保健和环境监测等方面的电子设备。值得一提的是，所制备的热电织物成功地实现了给手机中的锂离子电池 (600 mAh) 充电，手机电池完全充满电需要5.4天。如果使用更大面积的热电织物，可以满足更多高功率电子设备的充电要求，例如给高容量电池的智能手机 (5W) 充电。

通过热电织物实现人体的温度调控，不仅对人体健康而且对减少能源消耗有着非常重要的意义。对人体实现2度的温度调控，就可以节约空调，新风等系统约20 %的能源消耗。热电织物具有便携，无噪音，无运功部件和无需额外能量输入的优势，利用人体和环境的温差，实现为多种便携电子设备供电，在智能可穿戴和能源存储方面有着重要价值。虽然所用的材料里面无机热电材料成本较高，但是热电织物可以通过物理拆除等方式，对原料实现绿色回收，可以反复利用，成功的降低其制备成本，实现经济效益最大化。

本项研究工作受东华大学纺织面料技术教育部重点实验室、东华大学科学技术研究院、国家自然科学基金、科技部重点研发计划以及中国纺织工程学会电子纺织材料与制品科研基地等支持。