《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Bioinspired thermo-actuated thermoelectric/phase-change system for all-day power generation
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本研究针对传统热电材料因间歇性热源限制而效率低下的问题，设计了一种受太阳海星腕足节能机制启发的径向热驱动热电/相变系统。通过形状记忆合金（Ti-Ni）实现结构自适应调控，结合光热增强相变材料（PW/CNT）优化热管理，该系统在白天可实现28.64°C的最大温差和14.89 mV的输出电压，夜间仍能维持6.21°C的平均温差，显著提升全天候发电稳定性。该工作为户外环境下的可持续能源供应提供了创新解决方案。
随着全球电力需求持续增长，传统化石能源的过度使用不仅加速资源枯竭，还引发温室气体排放等环境问题。开发绿色发电技术成为能源领域的迫切任务。热电（Thermoelectric, TE）材料能够通过塞贝克效应（Seebeck effect）将低品位废热直接转化为电能，但实际应用中因热源间歇性导致效率受限。相变材料（Phase Change Materials, PCMs）虽可通过固液相变储热缓解该问题，但传统有机PCMs（如石蜡PW）相变温度低、光吸收能力弱，难以在热电系统中建立有效温差。此外，夜间热损耗严重制约了热电设备的全天候运行。如何实现热量的智能调控与高效利用，成为突破热电技术瓶颈的关键。
受太阳海星（Heliaster helianthus）腕足收缩行为的启发——其通过闭合运动减少能量消耗并适应环境，研究团队设计了一种径向柔性热电装置。该结构结合碳纳米管（SWCNT）增强的PEDOT:PSS复合热电薄膜与钛镍（Ti-Ni）形状记忆合金，构建了热驱动双层层合 actuator。该系统在光照下水平展开以最大化光热转换，无光时向内弯曲闭合，减少PCMs的热损失。通过将光热增强PCMs（PW/CNT）集成于装置中心，形成“热端储热-冷端散热”的温差维持机制，最终实现全天连续发电。
研究主要采用四项关键技术：
- 1.
溶液浇铸法制备PEDOT:PSS/SWCNT复合热电薄膜，通过调控SWCNT含量（70 wt%）优化电导率与塞贝克系数，获得118.87 μW m-1K-2的功率因子；
- 2.
径向柔性热电装置组装，将p型与n型热电腿交替串联为8对环形结构，外径达24 cm，覆盖聚酰亚胺绝缘层；
- 3.
光热增强PCMs制备，将CNT（1.5 wt%）分散于PW中并负载于聚氨酯海绵，通过多孔结构防止泄漏，提升光吸收与储热密度；
- 4.
Ti-Ni合金与热电薄膜的集成，利用合金热致形变特性（35°C以上为奥氏体相，以下为马氏体相）实现器件的自发开合控制。
3.1 径向柔性热电装置的性能
基于SWCNT/PEDOT:PSS复合薄膜的器件在70 K温差下输出功率达3.7 μW，且经过1000次弯曲循环后性能保持率超过98%。
3.2 复合PCMs的光热增强与循环稳定性
PW/CNT在紫外-可见-近红外波段具有宽谱吸收特性，在1倍太阳光强下15分钟内升温至81.9°C，较纯PW提升32%。DSC测试显示其相变焓（ΔH
m）达187.6 J/g，且50次循环后性能无衰减。
3.3 TN/TE双层的热响应行为
变温XRD证实Ti-Ni合金在40°C时以奥氏体相为主，20°C时转变为马氏体相，驱动双层膜在冷却150秒后产生70°的切向旋转角，实现可逆开合。
3.4 热驱动热电/相变系统的集成性能
闭合状态使系统在冷却阶段延迟1700秒温度下降，夜间平均温差达6.21°C。户外全天测试中，白天最大U
oc为14.89 mV，夜间仍能维持3.23 mV的平均输出电压。
该研究通过仿生设计实现了热电器件的自适应热管理，解决了间歇性热源导致的能量损失问题。Ti-Ni合金的引入使系统具备“光开-暗闭”的智能响应能力，结合PCMs的储热特性，显著提升了全天候发电效率。这项工作不仅为户外可持续供电提供了新思路，也为柔性电子设备的热能管理策略提供了参考，发表于《Advanced Composites and Hybrid Materials》的成果标志着热电材料在环境适应性设计方面的重要进展。
