《Adv. Sci.》港科廣方超/黃揚(yáng)，深大劉卓鑫：熱電水凝膠用于低品位熱能收集的關(guān)鍵設(shè)計策略！

【綜述背景】

低品位熱能（＜100 °C）遍布日常環(huán)境、儲量龐大，卻因缺乏高效回收手段而大量流失。熱電池依托熱電化學(xué)效應(yīng)，為這類熱能直接轉(zhuǎn)化為電能提供了可行路徑；其中，熱電水凝膠憑高熱電勢、柔性、生物相容與低成本優(yōu)勢，已成為高性能熱電池的核心新材料。本綜述系統(tǒng)總結(jié)了熱電水凝膠研究的最新進(jìn)展，并重點聚焦其設(shè)計策略：首先，深入剖析離子熱電材料中熱電化學(xué)轉(zhuǎn)化的基本機(jī)制；其次，梳理評價熱電池性能的關(guān)鍵指標(biāo)；第三，重點介紹提升熱電水凝膠的熱電化學(xué)性能的現(xiàn)有策略，包括聚合物基體改性、液相調(diào)控、引入添加劑等；此外，還盤點了基于熱電水凝膠的器件在能量回收與傳感領(lǐng)域的當(dāng)前應(yīng)用；最后，討論該領(lǐng)域仍面臨的挑戰(zhàn)，并展望熱電水凝膠的未來發(fā)展方向。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 熱電水凝膠的關(guān)鍵挑戰(zhàn)、潛在發(fā)展方向和應(yīng)用

熱電水凝膠憑借其高熱電勢、優(yōu)異的機(jī)械柔韌性、生物相容性和低成本等特性，展現(xiàn)出在低品位熱能轉(zhuǎn)換與收集領(lǐng)域的巨大潛力。然而，當(dāng)前熱電水凝膠在實際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括熱電化學(xué)性能的進(jìn)一步提升、機(jī)械性能與穩(wěn)定性的優(yōu)化，以及如何在不同應(yīng)用場景中實現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換等問題。盡管已有研究通過材料設(shè)計和器件優(yōu)化已獲顯著進(jìn)展，但深入理解聚合物-離子-溶劑之間的相互作用、開發(fā)新型電解質(zhì)體系及構(gòu)筑高效器件結(jié)構(gòu)，仍是推動準(zhǔn)固態(tài)熱電池發(fā)展的關(guān)鍵。

圖2. 離子熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換機(jī)理

圖3. 基于明膠與纖維素的熱電水凝膠最新研究進(jìn)展

圖4. 基于聚乙烯醇(PVA)的熱電水凝膠最新研究進(jìn)展

圖5. 基于聚丙烯酰胺(PAAm)的熱電水凝膠最新研究進(jìn)展

圖6. 溶劑化結(jié)構(gòu)對熱電化學(xué)電池?zé)犭妱莸挠绊?/p>

圖7. 提升熱電化學(xué)性能的方法

圖8. 基于熱電水凝膠的器件集成方式

圖9. 基于熱電水凝膠的自供能器件

圖10. 基于熱電水凝膠的傳感器設(shè)備

【總結(jié)與展望】

綜上，本文系統(tǒng)闡述了離子熱電轉(zhuǎn)換的基本原理，并梳理了熱電水凝膠的最新進(jìn)展，重點歸納了提升其熱電化學(xué)性能的多元策略。然而，熱電水凝膠的研究仍處起步階段，面臨三大核心挑戰(zhàn)：一是亟需開發(fā)高性能新型n型與p型電解質(zhì)體系；二是需兼顧熱電性能與機(jī)械強(qiáng)度的協(xié)同優(yōu)化；三是提高復(fù)雜環(huán)境下的長期穩(wěn)定性。深入解析聚合物-離子-溶劑間相互作用，將為熱電水凝膠的設(shè)計與性能提升提供理論基石；整合高通量篩選可加速材料組合優(yōu)選，快速鎖定最優(yōu)體系。器件層面，應(yīng)聚焦結(jié)構(gòu)優(yōu)化、低成本高性能材料、規(guī)模化制備及場景拓展，其中高性能電極對準(zhǔn)固態(tài)熱電化學(xué)電池效率的提升尤為關(guān)鍵。未來，上述領(lǐng)域的突破將加速熱電水凝膠的實用化進(jìn)程，使其在綠色能源轉(zhuǎn)換中釋放更大潛能。

【作者簡介】

第一作者：林文濤

香港科技大學(xué)(廣州)-可持續(xù)能源與環(huán)境學(xué)域博士研究生，主要研究方向為聚合物電解質(zhì)/凝膠電解質(zhì)在能源存儲與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用。

通訊作者：劉卓鑫

深圳大學(xué)材料學(xué)院副教授，主要從事的研究領(lǐng)域為納米復(fù)合材料及其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用，包括熱電池、水系儲能電池等。以第一作者或通訊作者身份在 Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、CCS Chem.、Energy Environ. Sci.、ACS Nano、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等著名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文40余篇，合著共發(fā)表論文80余篇，獲引用超17000次，h-index為60。入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家（2022、2023）、斯坦福大學(xué)&愛思唯爾全球前2%頂尖科學(xué)家（2023、2024）、深圳市海外高層次人才（B類）等。

通訊作者：黃揚(yáng)

香港科技大學(xué)（廣州）助理教授，博士生導(dǎo)師，主要從事低維材料的制備及其表面調(diào)控，用于新穎微型能源存儲與轉(zhuǎn)換器件。在ACS nano, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. In. Ed., Chem. Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Nature Commun.,等期刊雜志發(fā)表學(xué)術(shù)論文90余篇，被引用15000余次，H-index指數(shù)為55；2022-2024年連續(xù)入選斯坦福全球Top 2%科學(xué)家影響力榜單。擔(dān)任由清華大學(xué)出版社創(chuàng)辦的《Nano Research Energy》雜志青年編委。

通訊作者：方超

2024年加入香港科技大學(xué)（廣州）-可持續(xù)能源與環(huán)境學(xué)域，擔(dān)任助理教授、博士生導(dǎo)師。研究方向為能源軟物質(zhì)中分子尺度輸運與理論計算，包括儲能與能量轉(zhuǎn)換電解質(zhì)、微納與界面流動、高分子材料。以第一/通訊作者在Nat. Mater.、Sci. Adv.、PRL、JACS Au、Chem. Sci.等期刊發(fā)表論文20余篇。

課題組長期招聘博士生、科研助理和博士后，歡迎具有分子模擬、粗粒化模擬、或AI與大數(shù)據(jù)等計算模擬經(jīng)驗的申請人通過郵件聯(lián)系：chaofang@hkust-gz.edu.cn。

Critical Design Strategy of Thermogalvanic Hydrogels for Low-Grade Heat Harvesting；Adv. Sci. 2025,10.1002/advs.202506038