《CEJ》太原理工大学张虎林：热电水凝胶贴片用于人体户外运动的无源识别

准固态离子热电（i-TE）材料受到了广泛关注，因为它可以为可穿戴电子设备提供一种廉价、无泄漏、可扩展的方式，将热量直接转化为电能。然而，在使用过程中有限温差给 i-TE 凝胶的广泛应用带来了挑战。

图1. 用于热感应的光-热-电设备示意图

近期，太原理工大学信息与计算机学院张虎林教授团队制备了一种光驱动柔性热电水凝胶。凝胶部分由聚乙烯醇/聚二甲基硅氧烷聚合物网络与Fe2+/3+氧化还原对组成。通过耦合凝胶的热电效应和AuNPs@SiO2-PDMS薄膜局域表面等离子体共振（LSPR）光热效应，来实现无源可穿戴人体运动监测。光-热-电贴片在一个太阳光强下，开路电压最高达 12 mV，短路电流超过 1.25 A m-2。这项工作为热电凝胶在无源可穿戴传感领域提供了一个新的方法。该工作以“Thermogalvanic gel patch for self-powered human motion recognition enabled by photo-thermal-electric conversion”为题发表在《Chemical Engineering Journal》（IF=15.1）上。文章第一作者是太原理工大学硕士研究生杨航。通讯作者为张虎林教授，该研究得到了山西省自然科学基金以及山西省科技合作与交流专项的支持。

图2. AuNPs@SiO2-PDMS复合薄膜的制备及其光热特性

图3. 水凝胶的热电特性和机械特性

图4. 光-热-电贴片用于人体运动检测的应用展示

该成果是张虎林教授团队关于凝胶热电器件研究的最新进展之一，这项工作构想了基于热电效应和光热效应在运动检测中的广阔前景。在过去的两年中，团队制备了一系列基于不同聚合物网络和热电氧化还原对的热电凝胶器件，并致力于开拓凝胶热电器件的应用场景，取得了一系列的研究成果，具体详见：基于热电凝胶的无源信息转换系统(Nano Energy, 2023, 113, 108612, Compos. Sci. Tech., 2023, 239, 110077, Nano Energy, 2023, 106, 108077)，用于热能管理和热回收的无水热电凝胶(ACS Appl. Polym. Mater., 2023, 10.1021/acsapm.3c00481)，基于深度学习算法的婴儿智能监护系统(Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2204803)，太阳能热能收集器件(Nano Energy, 2022, 100, 107449，Sens. Actuat. A-Phys., 2023, 354, 114305)，无源呼吸、体温等体征监测策略(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 48743，ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 37306，J. Mater. Chem. C, 2022,10,13789，Nano Res., 2023, 10.1007/s12274-023-5621-2)等。

Hang Yang, Saeed Ahmed Khan, Ning Li, Rui Fang, Zhiquan Huang, Hulin Zhang, Thermogalvanic gel patch for self-powered human motion recognition enabled by photo-thermal-electric conversion, Chemical Engineering Journal, 2023.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145247

作者简介

张虎林，太原理工大学教授、博士生导师、学术委员会委员，山西省青年拔尖人才、三晋英才-拔尖骨干人才、山西省科技功勋，山西省青年科技工作者协会理事、中国青年科技工作者协会理事、四川省杰出青年基金获得者。2014年博士毕业于重庆大学，2012年8月到2014年1月赴美国佐治亚理工学院联合培养，2017年在香港理工大学访学1年。研究领域为微纳能源收集与无源传感。目前，已在Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等国际一流学术刊物上发表SCI论文100余篇，其中第一/通讯作者45篇（22篇IF>10），论文被引用6800余次，h因子为39，申请美国专利4项、中国专利9项（已授权5项），所做的工作曾被CNN、BBC、NanoWerk、科学网、太原日报等报道，研究成果获评2019年山西省自然科学二等奖（排名第1）、JMCC Emerging Investigators-2022。主持国家自然科学基金青年项目、山西省自然科学基金、四川省杰出青年基金、国家重点研发计划子课题等，另参与多项国家级课题。