南开大学马儒军教授团队 AM：具有超高热电性能的强韧热电水凝胶

2023-05-26 来源：高分子科技

热电池可以持续将热量转化为电能，广泛用于为可穿戴电子设备供电。然而，液态电解质存在泄漏和机械性能差的风险。尽管准固态离子热电池可以克服电解质泄漏的问题，但其机械性能仍相对较弱。因此，实现优异机械性能和高热电性能之间的权衡仍然是一个重大挑战。

图1 高性能热电水凝胶的制备与层状各向异性结构

近期，南开大学马儒军教授课题组团队设计了一种基于拉伸诱导结晶和热电化学效应的高热电性能的强韧可拉伸热电水凝胶。通过反复冻融辅助拉伸，聚合物链发生结晶以及沿拉伸方向的强取向性，导致热电水凝胶分层各向异性网络的形成（图1）。同时，选择 [Fe(CN)₆]^4-和[Fe(CN)₆]^3-作为氧化/还原离子对，并引入一种典型的离液阳离子胍离子，通过破坏[Fe(CN)₆]^4-的水合层，诱导[Fe(CN)₆]^4-结晶，促进氧化/还原离子对的可逆反应，从而实现热电转换。通过调节离子浓度进行优化，制备的热电水凝胶分别具有高达6.5 mV K^-1 的热电势和1969 μW m^-2 K^-2的比输出功率密度（图2）。结合拉伸诱导聚合物链产生的收缩应力，水凝胶具有高的断裂强度（19 MPa）和韧性（163.4 MJ m^-3）。通过调节[Fe(CN)₆]^4-/3-和胍离子与PVA分子链之间的聚集状态，可以构建一系列具有不同力学强度的热电水凝胶（图3）。这项研究工作克服了传统准固态热电池力学强度低的限制，同时优化了热电性能，为设计具备高效热电转换以及灵活可靠的可穿戴电子设备提供可行方案。该工作以“Strong tough thermogalvanic hydrogel thermocell with extraordinarily high thermoelectric performance”为题发表在《Advanced Material》上（Adv. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adma.202300696）。文章第一作者为博士研究生刘利利，共同第一作者为助理研究员张鼎博士，该研究得到国家自然科学基金委以及科学技术部的支持。

图2 热电性能优化与电输出性能

图3 热电水凝胶力学性能的优化

该工作是马儒军教授团队近期关于高性能柔性热电材料结构设计与应用的最新进展之一。马儒军教授目前为南开大学材料科学与工程学院智能热管理实验室负责人，近年来在主动/被动制冷材料、柔性热电材料与器件、高性能柔性导热复合材料、能源转换材料与器件等多学科交叉领域取得了一系列重要的研究成果，并以通讯或第一作者发表在Science, PNAS, Nature Communications, Joule, Chemical Society Reviews, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Nano Letters, ACS Nano等国际知名期刊上。实验室拥有先进的材料制备平台以及电学、热学等测试系统，并围绕国家重点研发计划项目等多项课题，展开新能源与智能热管理技术方向的研究。团队现诚招材料、化学、物理、电子等相关专业背景的博士后，欢迎有志之士将个人简历（pdf）发送至马儒军教授邮箱malab@nankai.edu.cn，邮件标题请注明：“应聘博士后+本人姓名+博士毕业院校”，对于符合要求并通过初审者，将会通知安排面试。招聘启事在岗位招满前有效。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202300696

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（责任编辑：xu）

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