自旋辅助层层组装法制备高性能有机热电纳米复合薄膜的协同界面设计与性能调控

本研究针对传统无机热电(TE)材料成本高、柔性差等问题，通过自旋辅助层层组装(LbL)技术构建PVPS/DWNT-rGO有机纳米复合薄膜。采用L-抗坏血酸(L -AA)化学还原与热处理双重策略，获得电导率556 S/cm、塞贝克系数105 μV/K、功率因子612.5 μW/m·K2 的优异性能，为柔性可穿戴能量收集器件开发提供新思路。

　　

随着全球能源危机加剧，废热回收技术成为研究热点。热电(Thermoelectric, TE)材料能够直接将热能与电能相互转换，其性能由无量纲优值ZT=σS²
T/κ决定，其中σ为电导率，S为塞贝克系数，κ为热导率。传统无机TE材料如Bi₂
Te₃
虽性能优异，但存在原料稀缺、成本高、柔韧性差等瓶颈。相比之下，有机TE材料凭借轻质、柔性、低毒等优势备受关注，但如何协同提升σ和S仍是重大挑战。

为解决这一难题，圆光大学研究人员在《Materials Today Energy》发表研究，创新性地采用自旋辅助层层组装(Spin-assisted Layer-by-Layer, LbL)技术，以聚(4-乙烯基吡啶-co-苯乙烯)(PVPS)为基质，双壁碳纳米管(DWNT)和氧化石墨烯(GO)为功能填料，构建三维互联导电网络。通过L-抗坏血酸(_L
-AA)化学还原结合热处理的绿色工艺，成功制备出高性能柔性TE薄膜。该工作首次将自旋辅助LbL技术应用于TE材料领域，为开发下一代可穿戴能量收集器件提供了新范式。

关键技术方法包括：1) 自旋辅助LbL组装构建PVPS/DWNT-GO多层膜；2) _L
-AA化学还原结合175℃热处理的双重还原策略；3) 通过原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等表征界面结构；4) 采用四探针法和塞贝克系数测试系统评估TE性能。

【Multilayer formation】
自旋辅助LbL技术通过交替沉积带正电的PVPS和带负电的DWNT-GO分散液，实现每层厚度约56nm的精确控制。离心力作用促进强界面结合，形成DWNT桥接rGO片层的三维网络，为载流子传输建立高效通路。

【Materials】
选用DWNT因其独特的双壁结构：内壁提供导电通道，外壁通过π-π相互作用增强与聚合物的界面耦合。GO的大比表面积和丰富官能团有利于均匀分散DWNT，而PVPS的吡啶基团可质子化形成正电荷位点。

【Conclusion】
优化后的8双层薄膜经双重还原后，电导率从初始0.28 S/cm提升至556 S/cm，塞贝克系数同步增至105 μV/K，最终获得612.5 μW/m·K²
的功率因子。XPS证实双重还原有效去除含氧基团，恢复sp²
碳网络；AFM显示rGO片层被DWNT"缝合"形成连续导电通路。这种界面设计同时实现能量过滤效应和分级电荷传输，突破σ与S的相互制约关系。

该研究的重要意义在于：1) 开发出自旋辅助LbL这一可扩展的绿色制备工艺；2) 阐明DWNT桥接rGO的协同增强机制；3) 创下溶液加工有机TE材料的性能纪录。所获柔性薄膜可直接集成于曲面热源，在工业废热回收和自供电可穿戴设备领域展现出巨大应用潜力。这项工作为设计高性能有机-无机杂化TE材料提供了新思路，推动绿色能源技术向实际应用迈出关键一步。