热电水凝胶可以用作能量转换装置，将低品位的热量转换为实用的电能，用于可持续能源供应。然而，目前基于热伏效应的凝胶电解质往往含有有毒金属元素，氧化还原电对选择性也非常有限，限制了其在可穿戴电子以及其他无毒绿色可持续应用的发展。
图1 PVA-SO4/32-水凝胶的设计和性能示意图
近期，太原理工大学信息与计算机学院张虎林教授团队首次通过引入一种新型无毒的SO4/32-氧化还原电对，制备了一种可拉伸的柔性凝胶热电器件（图1）。在0.1M的氧化还原电对浓度下，其Seebeck系数高达1.63mV K-1，水凝胶在断裂时表现出优异的拉伸/压缩应力和变形（图二）。同时，通过巧妙地掺杂额外的电解质离子，制备良好的凝胶提供了令人满意的离子电导率（图三）和热电性能。此外，这种基于PVA-SO4/32-水凝胶的准固态热电凝胶显示出通过获取人体热量点亮LED灯的能力（图四）。这项研究将会为制备具有高机械性能和热电性能的无毒热电凝胶提供了更多选择，在开发绿色可持续可穿戴设备方面具有巨大潜力。该工作以“Thermogalvanic Hydrogel Electrolyte for Harvesting biothermal Energy Enabled by a Novel Redox Couple of SO4/32-Ions”为题发表在《Nano Energy》上。文章第一作者是太原理工大学硕士研究生田超慧，通讯作者为禚凯博士和张虎林教授，该研究得到了山西省自然科学基金项目、山西浙大新材料与化工研究院和山西省“1331工程”项目等的支持。
图2 PVA-SO4/32-水凝胶的机械性能
图3 PVA-SO4/32-水凝胶的电学性能
图4 PVA-SO4/32-水凝胶的热电性能
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，团队首次利用SO4/32-作为新型氧化还原电对构建热电水凝胶器件用于收集人体体热，并实现手指热量驱动电子器件。这项工作将会推动热电凝胶在人体余热收集和可穿戴柔性电子设备领域的应用与发展。张教授团队专注于热电凝胶器件的开发与应用，在过去的两年中，张教授团队制备了一系列基于不同聚合物网络和热电偶离子的热电水凝胶器件，同时积极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：Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2204803, Nano Energy 2022, 99, 107318, Nano Energy 2022, 100, 107449, Nano Energy 2021, 89, 106465, J. Mater. Chem. C 2022, 10, 13789, ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 37316, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 48743, ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 14700,等等。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108077
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