热电（TE）材料能够将废热转化为电能，是可持续能源解决方案的关键。在新兴的TE材料中，有机TE材料，特别是共轭聚合物，由于其独特的机械柔性、环境兼容性和溶液可加工性的组合而日益突出。
聚（2，5-双（3-烷基噻吩-2-基）噻吩并[3，2-B]噻吩）（PBTTT）是一种液晶共轭聚合物，具有高载流子迁移率和对熔融加工工艺的适应性。深圳大学陈光明教授团队系统地研究了通过掺杂提高PBTTT热电性能的策略（溶液、蒸汽和阴离子交换掺杂）、复合工程和聚集态控制（图1）。通过将基本见解与应用研究相结合，这项工作为推进基于PBTTT的TE材料向高效能量收集和可穿戴电子产品发展提供了路线图。
相关研究成果以“An Emerging Liquid‑Crystalline Conducting Polymer Thermoelectrics: Opportunities and Challenges”为题于2025年11月15日发表在《Nano-Micro Letters》上。
图1 提高PBTTT热电性能的方法综述
PBTTT的合成基于微波辅助的Stille偶联反应，这种方法利用钯催化的有机锡化合物与卤代烷或芳香化合物之间的交叉偶联反应来形成新的碳-碳键。通过微波辅助技术，反应速率显著加快，产物收率提高，副产物减少。此外，通过合理的侧链工程，可以精确调控PBTTT的材料性能（图2）。
图2 PBTTT衍生物的合成方法
PBTTT薄膜有多种制备方法，包括传统的溶液加工技术（旋涂（图3a）、滴铸、浸涂和刮刀涂布）和一些创新的薄膜沉积技术。例如，浮膜转移法（FTM，图3b）利用液-液界面自组装机制，通过Marangoni效应实现均匀薄膜的制备；超高温Langmuir-Blodgett（LB）技术通过高温下水平提拉实现有序单层薄膜的转移（图3c）；喷墨打印法结合光敏掺杂剂实现了精确的掺杂浓度控制（图3d）；物理超临界流体沉积（p-SFD，图3e）利用超临界流体的相变特性制备纳米线结构或均匀薄膜；高温摩擦法则基于PBTTT的热致液晶行为，通过高温下剪切力实现聚合物链的定向排列（图3f）。这些方法不仅丰富了PBTTT薄膜的加工方式，还为性能提升和工业化制造提供了多样化的技术选择。
图3 PBTTT薄膜的加工方法
文章重点讨论了几种提升PBTTT热电性能的策略。这些策略包括掺杂（图4）、制备复合材料（图5）和调控聚合物聚集态（图6）。
图4 掺杂策略提升PBTTT的TE性能
图5 PBTTT基复合材料的研究
图6 溶剂对PBTTT结晶行为的影响
随后，作者介绍了PBTTT基热电材料的最新特殊进展，包括质子耦合电子转移（PCET）掺杂技术（图7）、纳米受限电化学离子注入（NEII）掺杂技术（图8）以及多异质结PBTTT复合材料（图9）。PCET掺杂通过精确控制费米能级，实现了高精度的掺杂效果，同时提高了掺杂稳定性。NEII掺杂利用原子力显微镜（AFM）尖端和电解质的协同作用，实现了亚100纳米级别的空间分辨掺杂。多异质结复合材料通过构建二维异质结构，有效降低了热导率，同时保持了良好的电荷传输性能，最终实现了高达1.28的ZT值。这些进展展示了PBTTT在热电材料领域的巨大潜力和创新方向。
图7 PCET方法及其实验数据的说明
图8 NEII掺杂及其实验数据的说明
图9 多异质结PBTTT复合材料的结构和实验数据说明
文章回顾了PBTTT的合成策略、性能提升机制和新兴技术前沿，强调了通过掺杂、复合结构调控和聚集态控制等方法优化热电性能的进展。尽管取得了显著进展，但未来仍面临挑战和机遇，包括多尺度调控、复合与混合策略以及创新材料加工技术（图10）。多尺度调控涉及从分子设计到宏观器件工程的协同优化；复合与混合策略通过碳材料和无机纳米颗粒的引入提升性能；创新加工技术则需进一步探索PBTTT的熔融加工优势。这些方向将推动PBTTT在热电领域的进一步发展。
图10 利用PBTTT实现高TE性能的潜在策略
参考资料：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2025.08.003
来源：EngineeringForLife
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