河南师大胡志国教授、东华大学武培怡教授 AFM：高性能超分子凝胶热电池的快速制备及其“光遥控自供电传感一体化”应用
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可穿戴智能材料的可持续能量供应问题，是目前需要解决的热门问题。 然而， 基于当前“双碳”目标和可持续发展的挑战，在能源的供给上面临较大的碳减排任务。其中热电材料 可以利用 自然界中广泛存在的温度差和热电转换机制，把热能转化为电能，为未来物联网系统持续供能的重要途径。传统的热电材料主要集中于无机半导体等脆性刚性材料，难以匹配需要拉伸变形的动态人机交互界面，而早期的液态热电池或者有机固态离子热电材料则主要受限于漏液或者功率密度低、力学脆弱的缺点。针对这些问题，武培怡教授课题组率先设计了力学稳固的双网络水凝胶准固态热电池，实现了高功率密度的持续供电功能。并进一步通过对聚乙烯醇反复冻融、机械训练等方法实现了 离子电导率和力学性能之间的平衡 ，为抗疲劳离子型半固态热电池的发展做出重要启发。
然而，考虑到未来的实际生产应用，为缩短时长和经济成本， 抗疲劳 热电池的制备流程需要进一步简化。另外，非接触式人机交互是可穿戴技术的未来发展趋势，近几年冠状病毒病 (COVID-19) 的大流行更加突出了这一需求。因此，通过对材料的化学结构进行合理设计，开发 高性能、制备方法简单、可远程控制的热电材料 ，是该领域迫切需要解决的核心问题，对未来物联网系统的整合具有重要意义。
为解决上述问题， 河南师范大学化学化工学院胡志国教授、时晓芳博士 研究团队和 东华大学武培怡教授 研究团队报道了一种基于双氢键作用的超分子水凝胶热电池。该热电池材料由一步光引发自由基聚合快速制备而成；由双氢键贯穿的超分子凝胶网络，赋予该离子热电池媲美当前最高水平的 离子电导率和力学抗疲劳性能。同时该热电池网络可以容纳饱和 ( K 4 [Fe(CN) 6 ] /K 3 [Fe(CN) 6 ] ) 电解液， 使其具有较强的近红外光吸收能力和光热效应，可 进一步用于光遥控、自发电、传感一体化应用。相关结果以 “Double Hydrogen-bonding Reinforced High Performance Supramolecular Hydrogel Thermocell for Self-powered Sensing Remote-controlled by Light” 为题发表在国际知名期刊《 Advanced Functional Materials 》上。文章第一作者为河南师范大学青年教师 时晓芳 ，第二作者为河南师范大学研究生 马琳 。
图 1. (a) PNAGA-F68 超分子水凝胶的制备过程、 (b) 粘弹性表征和 (c) 内部结构 。
图 2. PNAGA-F68 热电池的电化学性能 。
如图 2 ， PNAGA-F68 热电池的热电压达到 -2.17mV K -1 , 40 摄氏度温差下的功率密度为 0.23 mW m −2 K −2 ，室温下离子电导率为 7.0 S.m -1 。在反复弯曲、拉伸、扭转的情况下，保持稳定的输出电压和电流，可适应人体的运动，满足可穿戴需求。
图 3. PNAGA-F68 热电池的力学性能及综合性能比较。
由化学交联的 PNAGA-F68 链 以及物理交联的氢键作用、金属配位作用构成的超分子网络结构使该热电池具有优异的力学性能。杨氏模量达到 2.6 MPa, 抗疲劳阈值为 3120 J.m -2 。相比于最新报道的其它半固态热电材料，电化学性能和力学性能均处于较高水平。
图 4. PNAGA-F68 热电池吸收人体体温，并作为电源为房屋模型供电 。
PNAGA-F68 热电池可以组装成电池阵列，产生更大的输出电压。该热电池可以直接和皮肤接触，通过吸收体温的热量进行发电，有潜力成为可穿戴设备的可持续的能量供应新途径。
图 5. PNAGA-F68 热电池的热电效应，及其光遥控自发电传感一体化应用。
在近红外光的照射下，该热电池产生光热效应进行发电，产生电信号的变化。通过改变光的波长、强度以及照射时间，可以产生不同的信号响应，进行丰富的信息传递。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202211720
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