近年来，微流控纺丝逐步发展为可实现高精度纤维制备与结构调控的前沿技术。与传统湿法纺丝不同，微流控纺丝可实现连续化一步成型，流体流量可控，还能通过并联多通道轻松实现规模化量产。微流控通道内规则的剪切场，可引导微纳材料定向组装与排列，实现从分子尺度自下而上构建高度有序的各向异性结构。微流控技术对纳米尺度组装行为与界面作用的精准调控能力，在热电材料物理结构与电子结构设计方面具备巨大潜力。
近日，苏州大学张克勤教授、汪晓巧教授、邱慧提出一种基于微流控纺丝的工艺路线，制备高性能 PEDOT:PSS 非织造织物。微流控纺丝过程中，剪切作用促使 PEDOT 分子链轴向取向、拉伸，再辅以硫酸处理，最终形成高度有序的导电通路并优化掺杂状态，纤维电导率最高可达 2857 S⋅cm−1。在此基础上，通过氢氧化钠实现可控脱掺杂，精准调控费米能级与载流子散射特性，在电导率损失较小的前提下大幅提升塞贝克系数。最终制备的可穿戴热电器件功率因子可达 179.8 μW⋅m−1⋅K−2。
此外，本研究将 PEDOT:PSS 纤维非织造织物与静电纺丝制备的聚偏氟乙烯 - 六氟丙烯（PVDF-HFP）辐射制冷层复合，构筑了一种新型辐射调控平面织物。该材料通过结构设计实现分区光热转换与被动辐射制冷，在自然太阳光（辐照强度 0.84 kW⋅m−2）下可形成稳定的面内温差（ΔT≈20 K），直接实现太阳能向热电的能量转换。相关研究内容以“Microfluidic Spinning Boosting Thermoelectric Performance of PEDOT:PSS Nonwoven Fabrics”为题目，发表在期刊《Nano-Micro Letters》上。
图 1 微流控纺丝制备热电型 PEDOT:PSS 非织造织物的工艺示意图。a PEDOT:PSS 非织造织物的制备流程 b 剪切取向与酸处理拉伸 PEDOT 分子链，提升纤维的电荷传输能力 c 碱处理调控掺杂浓度，实现塞贝克系数增 。
开发微流控纺丝技术，精准调控 PEDOT:PSS 纤维微纳结构，优化电导率与塞贝克系数的固有制衡关系。
优化后纤维性能优异：电导率2038 S·cm⁻¹，塞贝克系数29.7 μV·K⁻¹，功率因子达179.8 μW·m⁻¹·K⁻²，处于有机热电纤维领先水平。
复合辐射制冷层的织物器件，在 0.84 倍太阳光下可形成20 K 面内温差，实现太阳能热电持续发电，可为可穿戴微电器供电。
图 2 不同剪切速率下制备的 PEDOT:PSS 纤维微观取向表征。a 原子力显微镜（AFM）图像；b 导电原子力显微镜（C-AFM）图像与电流分布图、二维广角 X 射线散射（2D WAXS）图谱、一维广角 X 射线散射（1D WAXS）曲线，以及波矢q=1.79 A˚−1下的方位角散射谱。测试样品包括：滴铸薄膜（剪切速率0 s−1）、剪切速率56 s−1与230 s−1下制备的纤维，以及经硫酸 - 氢氧化钠处理后的230 s−1纤维。图中双向箭头代表纤维轴向。f 不同剪切速率下微流控纺丝 PEDOT:PSS 纤维的电导率。
图 3 PEDOT:PSS 织物的微观结构与物化性能表征。a 经硫酸 - 氢氧化钠处理后 PEDOT:PSS 织物的实物照片；b 织物表面扫描电镜图像；c 单根纤维的扫描电镜图像；d 单根纤维的截面扫描电镜图像；e 硫元素 2p 轨道 X 射线光电子能谱；f 拉曼光谱；g 波数在1375∼1475 cm−1区间的局部放大光谱；h 紫外 - 可见 - 近红外吸收光谱；i 紫外光电子能谱；j 二次电子截止边；k 原始样品、硫酸处理样品、硫酸 - 氢氧化钠复合处理样品的截止能与功函数。
图 4 PEDOT:PSS 织物的热电性能与力学性能。a 硫酸处理时长对纤维热电性能的影响；b 氢氧化钠浓度对纤维热电性能的影响；c 经硫酸 - 氢氧化钠复合处理后，氢氧化钠浓度对纤维热电性能的影响；d 不同后处理工艺所得最优性能对比；e 本研究功率因子与已报道有机纤维、薄膜材料的性能对比； f 原始、单一硫酸处理、硫酸 - 氢氧化钠复合处理三类 PEDOT:PSS 织物的力学性能；g 柔性热电器件结构示意图，该器件由 24 条改性织物热电臂串联构成；h 开路电压随外加温差的变化关系；i 温差分别为 8 K、15 K、30 K 时，输出电压与输出功率随电流的变化关系。
图 5 辐射调控型平面织物的设计与应用。a 辐射调控型平面织物的工作原理与结构；b 室内光热测试装置示意图；c 在 0.25~1 倍模拟太阳光辐照下，PEDOT:PSS 织物的温升变化；d 1 倍太阳光条件下，PEDOT:PSS 织物经 12 次升降温循环的稳定性测试；e 基于有限元分析，24 组单元的辐射调控平面织物在 1 倍太阳光照射下的整体温度分布模拟结果；f 不同辐照强度（0.25~1 倍太阳光）下，辐射调控平面织物的实测温差；g 户外测试过程中，环境温度、PVDF-HFP 纳米纤维膜温度与 PEDOT:PSS 织物温度对比；h 自然光照下织物器件的实时输出电压；i 热电器件驱动 LED 显示屏的实物照片。
综上，本研究利用微流控纺丝制备出 PEDOT:PSS 微细纤维，并以此制得高性能热电非织造织物，实现了材料微纳尺度物理结构与电子结构的精准调控。具体而言，借助微流控多通道流体调控结合原位快速凝固工艺，可连续纺制出聚合物链沿纤维轴向取向排列的 PEDOT:PSS 纤维。后续酸处理能够去除多余的聚苯乙烯磺酸盐（PSS），并促使 PEDOT 分子链由卷曲构象转变为线性构象。这种多尺度有序结构构建出高效的电荷传输通道，使纤维最高电导率达到2857 S⋅cm−1。
研究进一步通过氢氧化钠脱掺杂工艺精细调控费米能级，优化载流子的能量相关散射行为，进而提升塞贝克系数。该复合调控策略有效改善了电导率与塞贝克系数之间固有的制衡关系，最终材料功率因子可达179.8 μW⋅m−1⋅K−2，性能优于目前绝大多数已报道的有机热电纤维。
此外，本研究将 PEDOT:PSS 纤维非织造织物与静电纺丝制备的聚偏氟乙烯 - 六氟丙烯（PVDF-HFP）辐射制冷层复合，研制出新型辐射调控平面织物，可直接实现太阳能热电转换。在 0.84 倍自然太阳光照射下，该器件可同步完成光热转换与被动辐射制冷，形成约20 K的稳定面内温差，实现持续的热电能量输出。
本研究搭建了一套通用性强的微流控纺丝体系，可用于制备高性能有机热电纤维及织物，为自供能可穿戴电子设备的发展提供了极具前景的技术路线。
原文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-026-02227-3
