近日，四川大學高分子科學與工程學院鄧華教授團隊通過在凝膠網絡中富集含氧官能團并構建定向離子傳輸納米通道的方法來制備一種新型的離子熱電材料（i-TE），在不犧牲其熱電（TE）性能的情況下實現i-TE的長期可重復使用。具體來說，通過將高吸水性聚電解質聚丙烯酸鈉（PAAs）引入半導體聚（3,4-乙撐二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）。同時，使用對Hofmeister效應敏感的PVA分子作為結構單元，通過冰模板法構筑了面外離子傳輸通道，并引入離子源氫氧化鈉（NaOH）來制備親水性TE凝膠(I-PPAs)。聚電解質PAAs作為離子源之一，可以解離大量的鈉離子。面外離子通道的帶負電荷的骨架上的部分Na+通過靜電相互作用對OH-施加遷移阻力。Na+本身具有更高的遷移能力，這導致剩余的游離Na+表現出更高的熱擴散系數，實現陽離子和陰離子的有效遷移分離，從而獲得17.0±1.0 mV K-1的熱電功率和62.8±1.62 mS cm-1的σi的TE性能。
圖1. (a)多功能凝膠的制備過程示意圖。(b)凝膠前體溶液的儲能模量。(c) I -PPAs凝膠的ATR-FTIR光譜。(d) I-PPAs凝膠的XRD圖譜。(e-f) I-PPAs水凝膠和未構筑離子通道水凝膠的橫截面圖像。(g-h) II-PPAs水凝膠和未構筑離子通道水凝膠的表面圖像。
當凝膠置于空氣中會發生脫水，導致性能失效。但重要的是，親水性官能團，包括羥基、羧基和磺酸基團，具有反復吸收水分和保留大量電解質的能力，這賦予了i-TE水凝膠出色的可重復使用性。向干燥的凝膠補充鹽溶液它幾乎可以完全恢復到原始狀態，并且隨著PAAs含量的增加，TE性能回復率提高，即使在空氣干燥135天后，樣品可以恢復到87%的初始TE性能。
圖2. (a)浸泡在電解質溶液135天后的熱電性能結果和(b)水凝膠的橫截面圖像。(c)干燥和形狀恢復的I-PPAs水凝膠的照片。(d)室溫干燥后再浸泡在電解質溶液中的135天后I-PPAs凝膠的橫截面圖像和(e)熱電性能測試結果。(f)經過135天的Na元素的相對含量。(g)水凝膠干燥和浸泡前后的σi。(h) I-PPAs凝膠的典型離子充電和電子放電過程。(i)具有不同負載電阻的ITEC器件的能量密度和功率密度。
此外，豐富的含氧官能團賦予了凝膠濕氣發電的性能，室溫60% RH條件下，濕感應電壓可達到87 mV，峰值電流為11μA。凝膠還表現出濕熱協同的工作能力，為探索這一機制，分別在濕氣發電裝置的開放側和封閉側施加微小的溫差，實驗證實在封閉側施加電壓時，陽離子的解離將在靠近熱電極的地方加速。熱擴散和水分引起的離子遷移是協同的，進一步強化離子濃度梯度分布從而增大電信號。最終，在RH=60%和溫差為3.7K的條件下，雙驅動力作用的單個模塊的輸出達到215 mV，工作時間超過26小時，相較于傳統i-TE有著顯著的穩定性。最后，他們組裝了3*3的自供電TMEG裝置，利用廢熱水蒸氣產生0.58V的電壓，在室溫環境放置135天后，通過補充電解質溶液，該裝置的輸出電壓仍能達到0.47V。
圖3. (a)濕氣發電裝置的實測電壓和電流。(b)濕氣發電裝置中水分誘導電位的示意圖。(c)濕氣發電裝置在向開放側和封閉側供應不同離子時的電壓曲線。(d)酸堿反應試驗結果。(e)濕熱協同器件的電壓分布以及(f-g)工作原理示意圖。(h)長時間濕熱協同發電測試的電壓曲線。(i)不同驅動力的電壓測試及理論結果。(j)集成器件從熱水蒸汽中收集能量的輸出圖像。
這項研究為i-TE凝膠中“一次性”使用的困境提供了一種有前景的解決方案，并為使用水分和熱量的協同發電提供了概念驗證。該工作以“Long-term serviceable ionic thermoelectric hydrogel with temperature and moisture dual-driven waste energy harvesting capability”為題發表在《Small》上（Small 2025, 2501960）。文章第一作者是四川大學張茂，通訊作者為鄧華教授。該研究得到四川省科技計劃項目（編號：2023NSFSC1596）資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202501960
