苏州大学汪晓巧/张克勤等：微流控纺丝构筑高性能PEDOT:PSS热电非织造布

Microfluidic Spinning Boosting Thermoelectric Performance of PEDOT:PSS Nonwoven Fabrics

Yuhui Zhang‡, Hui Qiu‡*, Jian Yang, Pengle Cao, Yu Wang, An-Quan Xie, Ke-Qin Zhang*, Xiao-Qiao Wang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 376

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02227-3

本文亮点

1. 微流控纺丝策略：利用微通道内强剪切流场诱导PEDOT分子链沿纤维轴向高度取向，实现从分子到纳米尺度的有序结构构筑。

2. 高功率因子179.8 μW m⁻¹ K⁻²：结合H₂SO₄-NaOH处理，所制备的PEDOT:PSS纤维实现了2038 S cm⁻¹的高电导率和29.7 μV K⁻¹的塞贝克系数，展现出179.8 μW m⁻¹ K⁻²的优异功率因子。

3. 阳光驱动发电：将PEDOT:PSS非织造布与PVDF-HFP辐射制冷层集成，构建辐射调制平面织物。在自然阳光下，该织物自发形成约20 K的面内温差，无需外部能源即可输出电能。

研究背景

可穿戴电子的快速发展对柔性、轻量化的供能技术提出了迫切需求。纤维基热电发电机因其优异的可编织性和穿戴舒适性，成为理想选择。在有机热电材料中，PEDOT:PSS备受关注，但其功率因子仍不理想，难以满足实际应用要求。核心制约因素在于：分子链无序排列限制了电导率，且电导率与塞贝克系数之间存在相互制约关系。传统湿法纺丝缺乏对微纳结构的精密调控能力。微流控纺丝凭借精确的流场控制，可实现多尺度有序结构构筑，结合化学后处理，从而获得优异热电性能。此外，将光热转换与辐射制冷协同设计，可在无外部能源输入下建立温差梯度，进一步拓展热电织物的自供能应用前景。

内容简介

针对PEDOT:PSS纤维热电性能不佳的瓶颈，苏州大学汪晓巧教授、张克勤等人开发了一种微流控纺丝策略，结合化学后处理，实现了从分子链取向、纳米纤维形貌到宏观织物网络的多尺度有序结构构筑。通过微通道内强剪切流场诱导PEDOT分子链轴向取向，再通过硫酸处理促进链构象由卷曲向线性转变并部分去除绝缘PSS组分，再经氢氧化钠可控去掺杂精确调控费米能级，最终在保持高电导率(2038 S cm⁻¹)的同时获得提升的塞贝克系数(29.7 μV K⁻¹)，功率因子高达179.8 μW m⁻¹ K⁻²。进一步，将该PEDOT:PSS非织造布与静电纺PVDF-HFP辐射制冷层集成，构建辐射调制平面织物。该织物在自然阳光下(0.84 sun)自发形成约20 K的面内温差，无需外部能源即可持续输出电能。该工作为高性能有机热电纤维及自供能可穿戴器件提供了一种通用而有效的设计策略。

图文导读

I 微流控纺丝策略及多尺度结构调控

如图1所示，微流控纺丝策略通过精确的流场设计与化学后处理协同，实现了PEDOT:PSS非织造布的多尺度结构调控。首先，PEDOT:PSS分散液与DMSO在Y型微通道内混合后注入同轴鞘流，高剪切速率诱导分子链沿轴向取向；随后经硫酸处理，PEDOT链由卷曲构象转变为线性构象，同时绝缘PSS被部分去除；最后经氢氧化钠可控去掺杂，费米能级上移，塞贝克系数获得提升。

图1. 用于制备热电PEDOT:PSS非织造布的微流控纺丝策略示意图。

II 剪切诱导取向：从无序到有序

如图2所示，剪切流场是调控PEDOT:PSS纤维微观取向的关键。未受剪切的薄膜呈无序颗粒结构，电流分布不均。随着剪切速率提高，分子链逐渐沿纤维轴取向，230 s⁻¹时形成高度有序的纳米纤维形貌，电流分布均匀连续。经后处理后，颗粒状结构减少，转变为延伸的纤维网络。广角X射线散射显示，薄膜呈现各向同性衍射环，而纤维样品出现衍射弧，表明晶区沿纤维轴择优取向。经硫酸-氢氧化钠处理后，归属于无定形PSS的宽散射峰显著减弱，证实绝缘PSS被有效去除；同时(010)衍射峰向高q值移动，π-π堆积距离减小。高剪切速率下电导率显著提升，经酸/碱后处理最终达2038 S cm⁻¹。

图2. 不同剪切速率下制备的PEDOT:PSS纤维中微观取向的表征。

III 化学后处理的多重调控机制

如图3所示，研究人员利用XPS、拉曼、UV-Vis-NIR和UPS等多种手段，深入解析了后处理对材料化学状态的影响。SEM显示纤维形成三维多孔非织造布，具有良好的柔韧性和透气性。XPS分析表明，硫酸处理后PEDOT/PSS峰面积比从23.5%升至65.1%，证实绝缘PSS被有效去除；后续碱处理不改变该比值，说明去掺杂主要调控氧化态而非相组成。拉曼光谱中，硫酸处理使Cα=Cβ峰从1426 cm⁻¹红移至1414 cm⁻¹，表明PEDOT链由卷曲苯型向线性醌型构象转变；碱处理峰位回移至1419 cm⁻¹，证实构象变化的可逆性。UV-Vis-NIR吸收光谱显示，硫酸处理后极化子(900 nm)和双极化子(1400 nm)吸收增强，氧化程度上升；碱处理后双极化子减少、极化子增加，表明双极化子向极化子还原，载流子浓度降低。UPS分析进一步揭示，硫酸处理使功函数从4.46 eV升至4.66 eV，费米能级下移；碱处理使功函数降至4.25 eV，费米能级上移，塞贝克系数因此获得提升。

图3. PEDOT:PSS非织造布的微观结构与物理化学表征。

IV 热电性能优化：高功率因子179.8 μW m⁻¹ K⁻²

如图4所示，通过优化硫酸处理时间和氢氧化钠浓度，先酸后碱的化学处理实现了电导率与塞贝克系数的优化平衡。硫酸处理0.5 h使电导率达2857 S cm⁻¹，功率因子85.5 μW m⁻¹ K⁻²；单独碱处理虽可提高塞贝克系数但电导率大幅下降。采用先酸后碱策略(硫酸处理0.5 h，继以0.5 M NaOH处理)，纤维电导率为2038 S cm⁻¹，塞贝克系数29.7 μV K⁻¹，功率因子高达179.8 μW m⁻¹ K⁻²，在有机热电纤维中表现突出。同时，非织造布拉伸强度提升至22 MPa，经5000次弯曲循环电阻变化可忽略，在空气中存放14天功率因子保持95%，展现出良好的机械柔韧性和环境稳定性。

图4. PEDOT:PSS非织造布的热电与力学性能。

V 辐射调制平面织物：阳光下自发发电

如图5所示，将PEDOT:PSS非织造布与静电纺PVDF-HFP辐射制冷膜集成，构建了辐射调制平面织物。PEDOT:PSS侧具有高太阳吸收率和低中红外发射率，发挥光热转换作用；PVDF-HFP侧兼具高太阳反射率和高中红外发射率，实现被动辐射制冷。光热测试表明，在0.25-1个太阳光照下，PEDOT:PSS表面温度从38.1 °C升至68.3 °C，且12个循环后保持稳定，表现出优异的光热稳定性。有限元模拟显示，1个太阳下面内温差可达28 °C；实验测得温差随光照强度从0.25增至1个太阳，由6.3 °C升至25.4 °C。室外自然光照(0.84 sun)下，该织物产生约20 K的稳定面内温差，实时输出电压最高达10.7 mV。

图5. 辐射调制平面织物的设计与应用。

VI 总结

本研究基于微流控纺丝技术，成功制备了具有优异性能的PEDOT:PSS热电非织造布。微流控通道内的精确流场控制实现了聚合物链沿纤维轴向的连续取向。随后酸处理去除过量PSS并诱导PEDOT链由卷曲向线性构象转变，形成高效电荷传输通道。进一步通过氢氧化钠可控去掺杂精细调节费米能级，从而提升塞贝克系数。该集成策略有效优化了电导率与塞贝克系数之间的本征制约关系，实现了179.8 μW m⁻¹ K⁻²的高功率因子(σ = 2038 S cm⁻¹，S = 29.7 μV K⁻¹)。

进一步将PEDOT:PSS纤维非织造布与静电纺PVDF-HFP辐射制冷层集成，构建了新型辐射调制平面织物，利用光热转换与被动辐射制冷协同，在自然阳光下(0.84 sun)建立约20 K的稳定面内温差，实现热电能量收集。

该工作为高性能有机热电纤维/织物的制备提供了新思路，为推动自供能可穿戴电子发展注入了新动力。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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