热电水凝胶：低品位热能回收的“绿色引擎”
热电水凝胶：低品位热能回收的“绿色引擎”
低品位热能资源丰富但利用率低，热电材料可将其直接转换为电能以助力可持续发展。传统无机热电材料因元素稀缺且热电势低，限制了其应用范围。而热电水凝胶凭借高热电势（mV/K）、柔韧性及低成本而备受关注。
热电水凝胶的工作原理
热电水凝胶主要由两个电极和电解质组成，两个电极与含有氧化还原对的电解质充分接触，并通过外部电路连接。当两个电极间存在温差时，在阳极发生氧化反应释放电子，在阴极发生还原反应吸收电子，从而形成持续电流。
图1. 低品位热能的来源和热电水凝胶热-电转换的优势
性能优化策略
近年来，研究人员通过增加氧化还原物质之间的溶剂化-结构熵差（∆S）和浓度差（∆C）、电极创新及结构设计等多维度策略，显著提升了热电水凝胶的热电势、电导率和转换效率等。
增加熵差
通过向水溶液中添加不同供体数的有机溶剂，可以改善热电水凝胶的机械性能，并改变反应过程中氧化还原对离子周围的溶剂壳结构，增大氧化还原离子的浓度梯度，从而显著提高热电势。
图3 （A）热电池的工作机理示意图；热电池的热电势（B）和电导率（C）；（D）热电池作为自供电应变传感收集体热；（E）使用自供电传感器时，手指弯曲活动的示意图；（F）带自供电压力传感器的拇指和食指抓瓶时的示意图。
增加浓度差
通过引入-环糊精（-CD）和氯化钾，可以增大冷热两端的浓度差，从而提高热电势。
图4. （A）热电池的工作机理示意图；（B）添加α-CD（4 mM）后，热电池的离子电导率和功率因数值；（C）添加α-CD、氯化钾后该体系的热电势值；（D）在10/40℃下，电解质溶液中未络合I3−的估算浓度与模拟的热电势值。
引入电解质添加剂
离液序列高的阳离子能够与氧化还原离子络合，诱导氧化还原物质结晶，这不仅增加了氧化还原电解质的ΔS，还增大了冷热两端之间的ΔC，从而显著提高了热电池的热电势。
图5. （A）在K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6电解液中，Gdm+诱导[Fe(CN)6]4-结晶和热电流效应增强的示意图；(B)添加Gdm+前后0.4 M K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6电解液的照片；（C）液态[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-体系中，添加氯化胍后的热电性能对比曲线图；（D）Gdm+的加入对热电流效应的影响；（E）热电池的热电势和电导率
电极创新
采用MXene作为电极层状结构主体，聚苯胺附着其上，并与碳纳米管构建网络，形成了具有大电化学活性表面积的多孔层状结构三元复合材料柔性薄膜电极，显示出优异的热电化学性能。
图6. （A）多孔层状结构三元复合材料柔性薄膜电极的制备流程示意图；（B）热电池的配置和尺寸信息；（C）热电池的光学图像；（D）在30 K的温差下，使用热电池点亮两个LED灯泡。
应用前景
热电水凝胶在能源领域、传感器领域、柔性电子与可穿戴设备领域展现出广泛的应用潜力。例如，武汉大学刘抗研究员团队开发的水凝胶薄膜可直接贴附于手机电池表面，在实现有效降温的同时，还能将部分废热转化为电能，展示了其在电子设备热管理中的双重功能。
图7. （A）热电池作为供电系统的演示；（B）水凝胶热电池在手机电池上实现有效地蒸发冷却，同时将一部分废热转化为电能。
在传感器领域，热电水凝胶因其快速响应和高精度特性，通常被用于温度传感和应力传感。例如，王亚培团队通过串联多对p-n型热电模块，构建实时火灾监控系统，利用水凝胶将温度信号转化为电压信号，实现火灾的早期预警。
图8. （A）热电水凝胶作为自供电温度传感器和应力传感器的展示；（B）无线火灾监控系统的设计及火灾发生过程中热电电压的实时变化。
在柔性电子与可穿戴设备领域，热电水凝胶展现出巨大的应用价值。例如，马儒军教授将热电水凝胶与机械手结合，可以用于能量自主的应变传感和健康监测。
图9. 水凝胶热电池在可穿戴柔性电子器件及人体健康监测中的应用；（B）用于人体运动检测的自供电PTE贴片示意图； (C)集成多个热传感器的智能手套。
总结与展望
尽管热电水凝胶在低品位热能回收领域取得了显著进展，但其实际应用仍面临着诸多挑战。首先，热电水凝胶的作用机制尚未完全明晰，相关理论体系仍需进一步完善。其次，热电水凝胶的热电转换效率仍有待提升，尤其是热电势、电导率和热导率之间的相互制约问题。此外，热电水凝胶在柔性传感器和制冷领域的应用潜力值得进一步被挖掘。