Science：南科大刘玮书团队在离子型室温热电材料上获得重大突破学术资讯

来源：BioWorld

果冻是小朋友们喜爱吃的零食，但是机器人不吃东西，只需要充电。南方科技大学材料科学与工程系副教授刘玮书课题组打破了这个常识——研究人员运用最新原创性研究，做出了一个可以发电的“果冻”。“果冻”主要物质是从动物骨头中提取出来的高分子物质明胶，不仅可以作为餐桌上的美食，也是重要的工业原料。近日，南方科技大学刘玮书课题组与美国国家工程院院士、麻省理工学院教授陈刚课题组在国际顶尖学术期刊 Science 杂志发表重磅论文，在离子型室温热电材料上获得重大突破，通过离子的扩散熵与氧化还原电对反应熵的协同效应在准固态离子凝胶中实现了高达17 mV/K的巨热电势效应（如图1）。

图1.巨热电势离子型热电材料。(A)本工作制备的离子型热电材料Gelatin-x KCl-m/n FeCN4-/3-热电势对比图(x和m/n是摩尔浓度，FeCN4-/3-是Fe(CN)64-/Fe(CN)63-)，其中Gelatin（x = 0 M, m/n = 0 M），Gelatin-FeCN4-/3-（x = 0 M, m/n = 0.42/0.25 M），Gelatin-KCl（x =0.8 M, m/n = 0 M）和Gelatin-KCl-FeCN4-/3-（x = 0.8 M, m/n = 0.42/0.25 M，水/明胶体积比rv=2.0和3.0）；(B)本工作和报道采用thermodiffusion效应和thermogalvanic效应的绝对热电势。基于Seebeck效应的热电转换材料可以实现热能与电能之间的直接相互转换，可为物联网体系中的小型传感器或电子设备提供可持续工作的电能。目前，基于传统电子型的热电转换材料（e-TE）在室温环境下捕获的能量可以达到毫瓦级的输出功率，但是受半导体电声输运行为的限制，优化的热电势约在200 μV/K左右。为获得1～5 V的供传感器正常工作的电压，该材料需要成千上万对n/p热电对串联，增加了器件的复杂度和集成度；或者需要外接升压芯片提高电压，但会增加功耗，提高成本。离子型热电转换材料具有较高的热电势，产生热电势的形式大体上分为两种形式：一种是利用离子的热扩散效应（Thermodiffusion Effect），即利用温差下离子定向迁移的浓度差引起的熵变实现热到电的转换，这与以电子为能量载体的Seebeck效应类似；另一种是利用氧化/还原电对的温度效应（Thermogalvanic Effect），即利用氧化/还原反应过程中的熵变实现热到电的转变。该研究工作从实验和理论两个角度阐明了有负的温度系数的thermogalvanic效应和p型热电势的thermodiffusion效应能够协同作用进而产生高的p型热电势（如图2）。

图2.协同机理。(A)本工作制备的离子型热电材料的电化学势和电压分布，E为内建电场。（A）Gelatin-KCl，（B）Gelatin-FeCN4-/3-，（C）Gelatin-KCl-FeCN4-/3-。研究人员对准固态离子型热电转换器件提出了一种新的准连续热充电/放电工作模式，可以使器件循环运行100圈，实现5小时的工作时长。研究人员将25个5×5×1.8 mm的准固态离子型热电单元串联组装成柔性可穿戴器件，该器件利用人体温差实现高达2.2 V的电压和5μW最大输出功率（如图3）。该工作以离子为能量载体实现热到电的转换，为物联网体系中传感器及电子设备实现所需电能自供给提供了一种选择。

图3.可穿戴离子型热电器件的概念验证。(A)拉伸示意图；（B）由25个单元（Cu∣i-TE∣Cu，5×5×1.8 mm）组成的可穿戴离子型热电器件利用人体温差产生的电压变化；（C）放电过程中的功率-电压-电流变化；（D）可穿戴i-TE和e-TE器件利用人体温度回收电能的性能对比图。刘玮书主要从事室温热电材料与器件的研究。2017年，刘玮书在为 Material Today Physics撰写的一篇题为：New trends, strategies and opportunities in thermoelectric materials: A perspective 的邀请综述论文中，提出“Go beyond Seebeck effect”的展望。经历了多次的失败，刘玮书课题组终于在“果冻”中找到了灵感，研发出了以离子为能量载体的新型室温热电材料。据悉，刘玮书课题组博士后韩成功，麻省理工学院博士后钱鑫为该论文共同第一作者。刘玮书和陈刚为论文通讯作者，南方科技大学为论文第一通讯单位。论文的参与作者还包括南科大物理系教授张文清、南开大学教授王卫超、香港大学副教授冯宪平，以及2018级南科大-港大联培博士生李其锴、2017级南科大-哈工大联培博士生朱永滨、2018级南科大-哈工大联培硕士生邓彪、北科大访问学生韩志佳等。该工作得到了SUSTech-MIT机械工程教育与研究中心，广创团队项目和腾讯公益基金会“科学探索奖”项目的支持。

来源：ibioworld BioWorld

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU1MzMxMzcyMg==&mid=2247501385&idx=3&sn=89884dfad6236dac223e8a4ec25d5625&chksm=fbf6329ccc81bb8ab7f8c7929d62811a1510952d07a5afbe7f03dfe06dbcde0ca75c661f7a7e#rd

电话：（010）86409582

邮箱：kejie@scimall.org.cn