鲁汶大学3D打印可拉伸PEDOT:PSS气凝胶，用于可穿戴热电材料

2025年9月24日，由比利时鲁汶大学Francisco Molina-Lopez教授领导的研究团队，首次展示了一种PEDOT:PSS气凝胶的全向3D打印技术，实现了可拉伸互连与高纵横比热电（TE）柱的直接制备。这一创新为可穿戴电子、软体机器人等前沿领域的柔性能源与传感器件设计带来全新可能。
        这种新方法将直接墨水书写（DIW）与原位冷冻干燥技术相结合，首次在硅基底及弹性体表面直接打印出自由形态的多孔PEDOT:PSS气凝胶结构。团队通过工艺路线调整，成功制备出兼具超低热导率（0.065 W·m⁻¹·K⁻¹）与可拉伸导电性能的气凝胶，这种方法克服了长期以来将脆弱的气凝胶与可拉伸基底相结合的难题，从而实现了此前无法实现的3D热电结构。
 

用于能源和传感的3D打印气凝胶

      研究人员制备了两类PEDOT:PSS浆料。其中一种是将锂盐和GOPS添加剂混合，以增强拉伸性和导电性。第二种方法是依靠过滤和溶剂交换去除多余的PSS，从而降低热导率并提高热电效率。这种双路线策略使气凝胶能够针对特定应用进行定制：基于添加剂的配方最适合可拉伸互连，而过滤变体则为TE设备提供了更高的品质因数。
 

      演示器件包括拱形互连结构，失效应变高达15%，并在200次应变循环中保持稳定的电阻。垂直TE柱在类似皮肤的条件下（ΔT ≈ 15 °C）产生26 nW·cm⁻²的辐射能量，在接触电阻受限的条件下，性能优于致密的PEDOT:PSS柱。
 

DIW与原位冷冻干燥结合

     传统的PEDOT:PSS薄膜在弹性体上加工时经常会收缩或分层。通过将浆料直接打印在硅胶上并进行原位冷冻干燥，鲁汶大学的研究人员获得了具有高形状保真度、高粘附性以及拱形和柱状等3D几何形状的气凝胶。
光谱分析表明，盐添加剂缩短了π-π堆积距离，提高了电导率，而过滤则促进了有序层片的形成，从而改善了热电性能。这些方法共同构成了一个多功能材料库，可用于定制机电和能量收集功能。
 

对于行业的意义
        碲化铋等无机热电材料虽占主导地位，但它的脆性和高成本限制了在柔性可穿戴系统中的应用；而PEDOT:PSS等导电聚合物又因薄膜器件功率不足而面临挑战。为此， 鲁汶大学的研究者利用机器学习优化油墨与晶格结构定制等新兴技术，通过结合全向直写与冷冻干燥技术，制备出了机械强度高、多孔的PEDOT:PSS气凝胶。该材料可直接与弹性体结合，能够打印可拉伸互连件和高效热电柱，极大地拓展了可穿戴电源、皮肤电子设备和软体机器人的设计空间。