一、研究背景

随着可穿戴电子设备的兴起，人们希望未来的传感器、电子皮肤和健康监测装置能够轻便、柔软、可持续工作。

然而，目前主流热电材料虽能高效收集热能，但普遍存在以下问题：

1）脆性大、柔性差，无法适应复杂的弯曲与拉伸环境；

2）透气性不足，贴身使用时舒适性差；

3）功能单一，通常只能采集温度信息，难以实现多模态感知。

因此，亟需一种既能保持高性能输出，又具备柔软透气特性的多功能材料。

二、本文亮点

本研究的最大创新点在于：构建了一种核壳结构的纳米纤维膜，将压电与热电效应有机结合。

1）独特结构：以聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）为纤维核，提供柔韧性与压电性能；以碲化铋（Bi₂Te₃）为外壳，实现热电转换。

2）双模耦合：既能感知压力（压电效应），又能感知温差（热电效应）。

3）压电：在 5 N 压力下产生 70 V 电压，循环 1 万次仍保持稳定；

4）热电：Seebeck 系数达 −77.4 μV/K，热电性能指数（ZT）为0.898

5）柔性与透气：弹性模量仅 8.87 MPa，水蒸气透过率 1235 g/m²·day。

6）应用示范：能同时监测人体动作与温度变化，为电子皮肤和自供能传感提供新途径。

该工作以“Flexible Piezoelectric‐Thermoelectric Coupled Nanofiber Generator for Self‐Powered Multimodal Sensing System”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。青岛大学物理科学学院硕士生李梦杰和吴林鑫为共同第一作者，龙云泽教授和张俊副教授为共同通讯作者。

三、图文解析

1. 结构设计与制备

采用静电纺丝 + 磁控溅射工艺，形成 PVDF-HFP 核 + Bi₂Te₃ 壳的核壳纤维网络（PTCF）。

图1. a) PTCF材料的结构与特性示意图。b) PTCF制备工艺示意图。c) PTCF的光学照片。d) 磁控溅射后PTCF的SEM图像。e) PTCF的XRD衍射图谱。f，g) 对应的铋（Bi）和碲（Te）元素的能谱（EDS）元素分布图。h) PTCF具有同轴核壳结构的示意图（SEM图像）。

2. 力学与透气性能

纤维膜表现出优异的柔韧性与透气性，可在多次弯折后保持稳定电学性能。

图2. a)(i–iv) 分别在不同弯曲半径（r = 4、2、1和0.5毫米）下弯曲的PTCF图像。b)<i, ii> 展示水蒸气透过性实验的光学图像。c) PTCF悬挂400克重物照片。d) PTCF在4毫米弯曲半径下的弯曲循环图像（插图为PTCF弯曲状态）。e) 不同材料（聚甲醛薄膜、PTCF及开口）覆盖的样品瓶在30℃条件下放置10天后残留水量。f) PTCF结构直至机械断裂的应力-应变曲线（插图为测试中的PTCF结构）。

3. 压电性能

在不同压力与频率条件下，材料均能稳定输出电信号，表现出优异的灵敏度与稳定性。

图3. a) Bi₂Te₃单层电极结构的工作机制。(i) PVDF电纺丝过程中形成的电偶极子取向示意图。(ii, iii) 按压/释放模式下压电输出的示意图，(iv, v) 弯曲/非弯曲模式下压电输出的示意图。b) PTCF在不同压力下的开路电压。c) PTCF在不同压力下的短路电流。d) PTCF在不同电阻条件下的输出电压与电流测试结果。e) PTCF在不同频率下的开路电压测试。f) PTCF在不同频率下的短路电流测试。g) PTCF在不同电阻下的输出功率密度测试。

4. 热电性能

纤维膜在人体皮肤与环境的温差下能持续输出电能，证明其热电转换能力。

图4. a) PTCF五单元装置结构照片。b) PTCF在不同温差ΔT下产生的开路电压（插图为温差产生装置的红外照片，温度范围18–81 °C）。c) 设备输出电压(V)与输出功率(P)随负载电流(i)的变化曲线（由PTCF在不同温差(ΔT)下测量）。d) PTCF在0至50K温梯度下的连续电学响应曲线。e) PTCF的塞贝克系数(S)、导电率(σ)及(S²σ)关系。f) 五单元装置佩戴于人腕部实景照片。

5. 多模态演示

纤维膜能够同步检测压力与温度变化，展示了其在可穿戴传感器和电子皮肤中的应用前景。

图5. a) PTCF传感器的压力与温度响应特性表征。(i) 胶头滴管靠近PTCF单元时的照片。(ii) 胶头滴管压在PTCF装置上的照片。(iii) 指尖靠近PTCF装置的照片。(iv)手指按压PTCF装置的照片。b) 经图a(i–iv)所示四道工序后PTCF装置的电流输出图像。c) (i–iii)手腕弯曲时佩戴于腕部的PTCF装置照片。d) 手腕以不同弯曲频率弯曲时的电流输出图像。

四、结论与展望

该成果不仅为热电材料“刚柔难兼”的难题提供了解决方案，还展示了柔性电子与智能传感领域的重要应用潜力。研究团队表示，未来将进一步优化电路设计并探索无线信号传输集成，推动这类材料在智能可穿戴设备、医疗健康监测以及新一代柔性电子中的应用落地。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202516438

五、课题组简介

龙云泽，青岛大学物理科学学院教授、博导，先进纳米纤维创新研究院院长，山东省中法纳米纤维和光电器件合作研究中心主任，山东省高等学校国际合作联合实验室（静电纺丝功能微纳米纤维）主任，全国模范教师，教育部新世纪优秀人才，山东省杰出青年基金获得者，山东省泰山学者，山东省有突出贡献的中青年专家，国际先进材料学会会士。2000年5月在中国科学技术大学物理系获学士学位，2005年3月在中国科学院物理研究所获博士学位（硕博连读），2006年12月起在青岛大学工作。曾先后在法国国家科研中心南特材料研究所、澳大利亚悉尼大学、香港科技大学、新加坡国立大学做博士后和访问教授。承担科技部973计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金等科研项目30余项，发表学术论文500余篇（入选全球前2%顶尖科学家、中国高被引学者），申请国内外专利220多项，其中授权国内专利140余项，国外专利7项，转让/许可专利17项。获中国发明创业奖创新奖一等奖、国防科技创新大赛一等奖、山东省自然科学二等奖、北京市科学技术奖二等奖、中国产学研合作创新成果奖二等奖等。

张俊，青岛大学特聘教授，先进纳米纤维创新研究院副院长。目前主要围绕物理学、材料学、化学、医学等多学科交叉，以静电纺丝技术、溶液吹纺技术制备功能纳米纤维为目标，重点开展荧光传感检测、信息防伪加密、新型医用敷料、药物靶向释放、纳米发电机、接触电催化、过滤分离等应用研究。实验室拥有完整的材料制备、性能表征、应用测试平台及研发队伍。近年来，以第一作者或通讯作者在Adv Funct Mater、Adv Fiber Mater、npj Clean Water、Chem Eng J、Nano Energy、Nano Research、Mater Horizons等发表SCI论文100多篇，许可/转让中国专利2项，荣获中国发明创业奖创新奖一等奖、国防科技创新大赛一等奖、中国产学研合作创新成果奖二等奖等。主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金、军工重点项目课题、企业横向课题等。担任Chem Eng J、ACS Appl Mater Interfaces、Adv Opt Mater、Opt Express等国际期刊审稿人。