《Adv. Sci.》港科廣方超/黃揚，深大劉卓鑫：熱電水凝膠用于低品位熱能收集的關鍵設計策略！

【綜述背景】

低品位熱能（＜100 °C）遍布日常環境、儲量龐大，卻因缺乏高效回收手段而大量流失。熱電池依托熱電化學效應，為這類熱能直接轉化為電能提供了可行路徑；其中，熱電水凝膠憑高熱電勢、柔性、生物相容與低成本優勢，已成為高性能熱電池的核心新材料。本綜述系統總結了熱電水凝膠研究的最新進展，并重點聚焦其設計策略：首先，深入剖析離子熱電材料中熱電化學轉化的基本機制；其次，梳理評價熱電池性能的關鍵指標；第三，重點介紹提升熱電水凝膠的熱電化學性能的現有策略，包括聚合物基體改性、液相調控、引入添加劑等；此外，還盤點了基于熱電水凝膠的器件在能量回收與傳感領域的當前應用；最后，討論該領域仍面臨的挑戰，并展望熱電水凝膠的未來發展方向。

【圖文導讀】

圖1. 熱電水凝膠的關鍵挑戰、潛在發展方向和應用

熱電水凝膠憑借其高熱電勢、優異的機械柔韌性、生物相容性和低成本等特性，展現出在低品位熱能轉換與收集領域的巨大潛力。然而，當前熱電水凝膠在實際應用中仍面臨諸多挑戰，包括熱電化學性能的進一步提升、機械性能與穩定性的優化，以及如何在不同應用場景中實現高效能量轉換等問題。盡管已有研究通過材料設計和器件優化已獲顯著進展，但深入理解聚合物-離子-溶劑之間的相互作用、開發新型電解質體系及構筑高效器件結構，仍是推動準固態熱電池發展的關鍵。

圖2. 離子熱電材料的熱電轉換機理

圖3. 基于明膠與纖維素的熱電水凝膠最新研究進展

圖4. 基于聚乙烯醇(PVA)的熱電水凝膠最新研究進展

圖5. 基于聚丙烯酰胺(PAAm)的熱電水凝膠最新研究進展

圖6. 溶劑化結構對熱電化學電池熱電勢的影響

圖7. 提升熱電化學性能的方法

圖8. 基于熱電水凝膠的器件集成方式

圖9. 基于熱電水凝膠的自供能器件

圖10. 基于熱電水凝膠的傳感器設備

【總結與展望】

綜上，本文系統闡述了離子熱電轉換的基本原理，并梳理了熱電水凝膠的最新進展，重點歸納了提升其熱電化學性能的多元策略。然而，熱電水凝膠的研究仍處起步階段，面臨三大核心挑戰：一是亟需開發高性能新型n型與p型電解質體系；二是需兼顧熱電性能與機械強度的協同優化；三是提高復雜環境下的長期穩定性。深入解析聚合物-離子-溶劑間相互作用，將為熱電水凝膠的設計與性能提升提供理論基石；整合高通量篩選可加速材料組合優選，快速鎖定最優體系。器件層面，應聚焦結構優化、低成本高性能材料、規模化制備及場景拓展，其中高性能電極對準固態熱電化學電池效率的提升尤為關鍵。未來，上述領域的突破將加速熱電水凝膠的實用化進程，使其在綠色能源轉換中釋放更大潛能。

【作者簡介】

第一作者：林文濤

香港科技大學(廣州)-可持續能源與環境學域博士研究生，主要研究方向為聚合物電解質/凝膠電解質在能源存儲與轉換領域的應用。

通訊作者：劉卓鑫

深圳大學材料學院副教授，主要從事的研究領域為納米復合材料及其在能源領域的應用，包括熱電池、水系儲能電池等。以第一作者或通訊作者身份在 Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、CCS Chem.、Energy Environ. Sci.、ACS Nano、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等著名學術期刊上發表論文40余篇，合著共發表論文80余篇，獲引用超17000次，h-index為60。入選科睿唯安全球高被引科學家（2022、2023）、斯坦福大學&愛思唯爾全球前2%頂尖科學家（2023、2024）、深圳市海外高層次人才（B類）等。

通訊作者：黃揚

香港科技大學（廣州）助理教授，博士生導師，主要從事低維材料的制備及其表面調控，用于新穎微型能源存儲與轉換器件。在ACS nano, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. In. Ed., Chem. Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Nature Commun.,等期刊雜志發表學術論文90余篇，被引用15000余次，H-index指數為55；2022-2024年連續入選斯坦福全球Top 2%科學家影響力榜單。擔任由清華大學出版社創辦的《Nano Research Energy》雜志青年編委。

通訊作者：方超

2024年加入香港科技大學（廣州）-可持續能源與環境學域，擔任助理教授、博士生導師。研究方向為能源軟物質中分子尺度輸運與理論計算，包括儲能與能量轉換電解質、微納與界面流動、高分子材料。以第一/通訊作者在Nat. Mater.、Sci. Adv.、PRL、JACS Au、Chem. Sci.等期刊發表論文20余篇。

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Critical Design Strategy of Thermogalvanic Hydrogels for Low-Grade Heat Harvesting；Adv. Sci. 2025,10.1002/advs.202506038