《Adv. Sci.》港科广方超/黄扬，深大刘卓鑫：热电水凝胶用于低品位热能收集的关键设计策略！

【综述背景】

低品位热能（＜100 °C）遍布日常环境、储量庞大，却因缺乏高效回收手段而大量流失。热电池依托热电化学效应，为这类热能直接转化为电能提供了可行路径；其中，热电水凝胶凭高热电势、柔性、生物相容与低成本优势，已成为高性能热电池的核心新材料。本综述系统总结了热电水凝胶研究的最新进展，并重点聚焦其设计策略：首先，深入剖析离子热电材料中热电化学转化的基本机制；其次，梳理评价热电池性能的关键指标；第三，重点介绍提升热电水凝胶的热电化学性能的现有策略，包括聚合物基体改性、液相调控、引入添加剂等；此外，还盘点了基于热电水凝胶的器件在能量回收与传感领域的当前应用；最后，讨论该领域仍面临的挑战，并展望热电水凝胶的未来发展方向。

【图文导读】

图1. 热电水凝胶的关键挑战、潜在发展方向和应用

热电水凝胶凭借其高热电势、优异的机械柔韧性、生物相容性和低成本等特性，展现出在低品位热能转换与收集领域的巨大潜力。然而，当前热电水凝胶在实际应用中仍面临诸多挑战，包括热电化学性能的进一步提升、机械性能与稳定性的优化，以及如何在不同应用场景中实现高效能量转换等问题。尽管已有研究通过材料设计和器件优化已获显著进展，但深入理解聚合物-离子-溶剂之间的相互作用、开发新型电解质体系及构筑高效器件结构，仍是推动准固态热电池发展的关键。

图2. 离子热电材料的热电转换机理

图3. 基于明胶与纤维素的热电水凝胶最新研究进展

图4. 基于聚乙烯醇(PVA)的热电水凝胶最新研究进展

图5. 基于聚丙烯酰胺(PAAm)的热电水凝胶最新研究进展

图6. 溶剂化结构对热电化学电池热电势的影响

图7. 提升热电化学性能的方法

图8. 基于热电水凝胶的器件集成方式

图9. 基于热电水凝胶的自供能器件

图10. 基于热电水凝胶的传感器设备

【总结与展望】

综上，本文系统阐述了离子热电转换的基本原理，并梳理了热电水凝胶的最新进展，重点归纳了提升其热电化学性能的多元策略。然而，热电水凝胶的研究仍处起步阶段，面临三大核心挑战：一是亟需开发高性能新型n型与p型电解质体系；二是需兼顾热电性能与机械强度的协同优化；三是提高复杂环境下的长期稳定性。深入解析聚合物-离子-溶剂间相互作用，将为热电水凝胶的设计与性能提升提供理论基石；整合高通量筛选可加速材料组合优选，快速锁定最优体系。器件层面，应聚焦结构优化、低成本高性能材料、规模化制备及场景拓展，其中高性能电极对准固态热电化学电池效率的提升尤为关键。未来，上述领域的突破将加速热电水凝胶的实用化进程，使其在绿色能源转换中释放更大潜能。

【作者简介】

第一作者：林文涛

香港科技大学(广州)-可持续能源与环境学域博士研究生，主要研究方向为聚合物电解质/凝胶电解质在能源存储与转换领域的应用。

通讯作者：刘卓鑫

深圳大学材料学院副教授，主要从事的研究领域为纳米复合材料及其在能源领域的应用，包括热电池、水系储能电池等。以第一作者或通讯作者身份在 Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、CCS Chem.、Energy Environ. Sci.、ACS Nano、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等著名学术期刊上发表论文40余篇，合著共发表论文80余篇，获引用超17000次，h-index为60。入选科睿唯安全球高被引科学家（2022、2023）、斯坦福大学&爱思唯尔全球前2%顶尖科学家（2023、2024）、深圳市海外高层次人才（B类）等。

通讯作者：黄扬

香港科技大学（广州）助理教授，博士生导师，主要从事低维材料的制备及其表面调控，用于新颖微型能源存储与转换器件。在ACS nano, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. In. Ed., Chem. Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Nature Commun.,等期刊杂志发表学术论文90余篇，被引用15000余次，H-index指数为55；2022-2024年连续入选斯坦福全球Top 2%科学家影响力榜单。担任由清华大学出版社创办的《Nano Research Energy》杂志青年编委。

通讯作者：方超

2024年加入香港科技大学（广州）-可持续能源与环境学域，担任助理教授、博士生导师。研究方向为能源软物质中分子尺度输运与理论计算，包括储能与能量转换电解质、微纳与界面流动、高分子材料。以第一/通讯作者在Nat. Mater.、Sci. Adv.、PRL、JACS Au、Chem. Sci.等期刊发表论文20余篇。

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