【科技前沿】第32期：自吸湿、智能变色凝胶散热器提升电子器件的能量转换效率

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近日，我校材料科学与工程学院苗蕾教授（第一通讯作者）课题组穆晓江博士（第一作者），联合昆士兰大学陈志刚教授（第二通讯作者），于2023年1月在线发表了题为“Self-hygroscopic and smart color-changing hydrogels as coolers for improving energy conversion efficiency of electronics”的学术论文（DOI：10.1016/j.nanoen.2023.108177），该论文在线发表在国际材料科学领域顶级期刊《Nano Energy》（2021-2022年影响因子IF为19.069）。

随着科学技术的不断进步，全球的电子产业正在蓬勃发展，电子产品的更新换代速度越来越快，对于散热技术和性能的要求也越来越高。传统的主动冷却方式，如风冷、水冷等，虽然有着优异的冷却性能，但是，由于其占地面积大、结构复杂、能耗高等缺点，在信息时代高集成度发展的趋势下，其应用场景犹如池鱼笼鸟，被大幅受限。被动式的蒸发散热因其灵活方便的特点，是最具潜力的散热“新星”，但其较差的散热效果和持续性以及无反馈冷却的工作方式限制了其广泛的发展。基于此，课题组通过功能性离子掺杂，弱化了水分子周围的环境束力，提升了热量耗散的速度，在界面处增加了动态非共价键，降低了接触热阻，优化了散热性能，通过直观的颜色变化反馈凝胶散热器的蒸发潜力和散热状态，对凝胶蒸发冷却的高效、智能化发展具有重要意义。

研究亮点1.

通过功能性离子掺杂成功制备了Co@Li-PAM水凝胶，调控了聚丙烯酰胺水凝胶的交联度，优化了凝胶骨架的机械性能，使之在使用过程中能够耐受一定的机械变形。Co@Li-PAM水凝胶的3D多孔结构能够存储大量的水分，热重测试结果显示了凝胶内部拥有约56.23 wt%的可蒸发水分，能够提供充足的散热潜力。界面丰富的动态非共价键使得凝胶能够直接粘附于待散热物体表面，降低接触热阻，提高散热效率。功能性离子Co2+的掺杂可以反馈凝胶内部水分含量的变化，在不同的水分含量下，Co@Li-PAM凝胶会展示出不同的颜色状态，从而可以检测凝胶散热器的蒸发潜力和散热状态，并且通过功能性离子Li+的掺杂，该凝胶拥有了优异的自吸湿性能，在散热间隙能够在空气中补充水分，增强凝胶散热器的散热持续性。

图1. Co@Li-PAM凝胶散热器示意图

图2. Co@Li-PAM凝胶散热器变色性能

研究亮点2.

通过XPS能谱测试表明了功能性离子Co2+和Li+的成功掺杂，钴的窄谱扫描结果和红外光谱中氨基官能团从3354.7 cm-1到3396.1 cm-1的移动，证明了钴离子与聚合物链中的氨基之间配位键的形成。利用聚丙烯酰胺水凝胶和Co@Li-PAM水凝胶的拉曼光谱分析了凝胶中水分子微环境变化对水状态和含量的影响，表明了微环境的调控可以使得凝胶中水分子重新排列，弱化了水分子周围的环境束力，增加凝胶中中间水的相对含量。通过变温拉曼的测试结果研究了在蒸发过程中，自由水和中间水的相变优先级。随着温度的升高，凝胶中的中间水由于较低的蒸发势垒先于自由水进行蒸发。差示扫描量热仪（DSC）的测试结果论证了凝胶中水状态和含量的调控对焓变的影响，表明了增加中间水的含量能够有效降低蒸发焓，促进蒸发速率，加快散热器的散热速度。

图3. Co@Li-PAM凝胶XPS能谱和红外光谱性能表征

图4. Co@Li-PAM凝胶拉曼光谱和DSC性能表征

研究亮点3.

基于Co@Li-PAM水凝胶测试了其在不同环境湿度下的响应性能和循环吸湿-解吸性能，在40%—80%的环境湿度条件范围内，显示出了优异的自吸湿性，并且在高湿度环境下不会发生溶液泄露的情况，证明了该凝胶拥有理想的环境适应性和稳定性。在1 kW m-2的太阳光照条件下，使用该凝胶散热器对太阳能光伏电池进行温控测试，结果表明，太阳能光伏电池板的温度下降了大约20℃左右，光电转换提升了约1.26%。此外，Co@Li-PAM凝胶散热器对于高性能运行的智能手机也显示了杰出的散热效果。

图5. Co@Li-PAM凝胶散热、自吸湿性能测试

综上所述，本研究设计了一种自吸湿智能变色Co@Li-PAM水凝胶，通过聚合物链与功能性离子的相互作用调控了水分子的微环境，弱化了水分子周围的环境束力，降低了凝胶的蒸发势垒，从而实现器件的快速冷却。同时，利用钴离子通过颜色变化可以直观地反馈凝胶散热器的蒸发潜力和散热状态，解决了凝胶散热器无反馈冷却的短板。该凝胶不仅拥有宽泛的环境适应范围，而且在25℃和80% RH的条件下展现出了2.28 g g-1的超高吸湿性，能够有效提高凝胶散热器的持续性。在1 kW m-2的太阳光照射条件下，将商用多晶硅太阳能电池的工作温度降低了约20℃，光电转换效率提高了1.26%。该研究提高了凝胶散热的速度和性能，增加了凝胶散热的智能性，推动了蒸发冷却的实际应用，将为电子器件的发展和信息时代的繁荣注入一股新鲜而强劲的力量。

（供稿：苗蕾团队 审稿：融媒体中心 冼欣宜）