Yaolong Zhi Maohua Li, Xuelei Ma, Xinyue Zhu, Jiakang Yuan, Yunhong Xin, Yu Fang, Junxia Peng. ACS Appl. Polym. Mater. 2025, 7, 4383−4393, Doi: 10.1021/acsapm.5c00097

近年来，低品位热能再利用日益受到学界关注。人类社会广泛存在大量的废热资源。由于热能利用效率低下，超过一半的热能以废热形式散逸至大气中，电子设备运行及机械加工过程也不可避免地产生废热，其中多数属于温度低于100℃的低品位热能。如何实现低品位热能的回收利用对可持续发展具有重要意义。在众多技术路径中，基于热电效应（即热能-电能直接转换特性）的热电技术被视为最具应用前景的低品位热能回收方案之一。如今，热电技术不仅需要实现高功率密度，还需兼具高效性、可扩展性、成本效益以及多场景适用性。例如可穿戴设备及日常生活应用领域对柔性耐用热电材料存在巨大需求。

热电材料可分为电子型热电（e-TE）材料和离子型热电（i-TE）材料。e-TE材料虽因高电导率被广泛研究，但仍存在塞贝克系数低（10^-2至10^-1 mV K^-1量级）、柔性差、生产成本高等固有缺陷，这些因素严重制约了其可靠的热电转换性能及其应用。相比之下，i-TE材料，如液体电解质，离子水凝胶和离子凝胶。它们通过离子扩散（也称Soret效应）表现很高的塞贝克系数，通常比e-TE材料高2-3个数量级，因此成为低品位热源捕获的重要材料。

离子型凝胶热电材料能有效解决离子型液体热电材料的泄漏问题。目前i-TE凝胶研发主要聚焦离子水凝胶和离子凝胶两类体系，离子水凝胶虽具有高离子电导率，但面临极端环境适应性和长期稳定性挑战—高温易导致水分蒸发，低温易引发冻结，这些都会造成力学性能劣化及热电性能衰减。深共晶溶剂（DESs）作为新兴绿色溶剂备受关注，具有更环保、经济、无毒等优势。这类溶剂还展现出低蒸气压、高导电性以及对离子/非离子化合物的强溶剂化能力，已在电化学储能与转换等多个领域获得应用。因此基于深共晶溶剂的凝胶材料（即共晶凝胶）通常表现出卓越特性：包括高稳定性、强粘附力、良好导电性以及显著的强度与柔韧性。

在本工作报道了一种包含绿色低共熔溶剂EaCl:EG与锂盐的高透明聚合物共晶凝胶（称为PAH-5% LiTFSI），该凝胶展现出20.2 mS cm^-1的高离子电导率与9.7 mV K^-1的离子塞贝克系数。得益于EaCl:EG优异的抗冻特性，即使在−20°C下凝胶仍能保持7.6 mS cm^-1的离子电导率。聚合物网络与DES的相互作用抑制了共晶凝胶的结晶行为，使其在−114°C呈现玻璃化转变（略高于DES的−113°C凝固点）。PAH-5% LiTFSI同时具有卓越的溶剂保持能力：在常温环境（23°C，60%相对湿度）中暴露7天无质量损失，在通风干燥箱（50°C，30%相对湿度）中放置24小时后仍能保持90%质量。其热电性能在宽湿度范围内表现出优异稳定性。基于PAH-5% LiTFSI的自制电源模型能够驱动小型电子设备（如发光二极管、计时器）及回收太阳能电池板废热的潜力。本研究为开发具有出色环境耐性和持久使用性的生物友好型热电凝胶材料奠定了基础。

图1. 低共熔凝胶PAH-5% LiTFSI的制备示意图和性能表征。

图 2. 低共熔凝胶的热电应用。

第一作者：BV伟德官方网站硕士研究生支耀龙

通讯作者：BV伟德官方网站彭军霞教授

全文链接：https://doi.org/10.1021/acsapm.5c00097