随着世界能源消耗的持续增加，以及化石燃料的日益匮乏，将可再生能源转化为可持续的电力供应日益受到关注。值得注意的是，工业生产以及人体产生的大部分热量都被浪费，而热电器件则可以收集废热并将其直接转化为电能，从而减少二氧化碳排放。

热电器件可实现热能与电能的直接转换，是一种长效能源技术；利用热电器件转换环境热能发电，能为可穿戴电子设备提供长效稳定的绿色能源，非常契合国家能源发展战略。

可回收、可修复、可拉伸

如今，热能广泛地存在于人类的生产和生活中。在这些热能中，低品级的热能占据了相当大的比例。其大部分来源于化石燃料、工业生产和人体，温度在 100 摄氏度以下，完全以辐射的方式散发在空气中，属于无效能源。如果能够实现低品级热能的回收应用，将有助于环境保护和可持续发展。相比于热能，电能是一种有序能源，因此，将热能转换为电能，是一种具有广阔应用前景的能量回收方法。

当今，化石能源短缺和环境污染问题凸显，能源的多元化和高效多级利用成为解决能源与环境问题的一个重要途径。作为一种绿色能源技术和环保型制冷技术热电转换技术受到学术界和工业界的广泛关注。热电转换技术是利用材料的塞贝克效应与帕尔贴效应将热能和电能进行直接转换的技术，包括热电发电和热电制冷。

这种技术具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物、适用温度范围广等特点。热电器件可以实现热能和电能的直接转换，在废热回收和固态制冷领域具有重要的研究价值，对热电发电器件的能量转换效率进行精确测量是评价热电材料和器件性能的重要基础。

热电转换技术是一项基于半导体材料的新能源技术。基于材料的塞贝克效应和帕尔贴效应，该项技术能够实现温差发电和通电制冷的效果，其分别在工业废热回收利用和电子制冷领域有着重要的应用。相比于传统能源转换技术，热电转换技术具有器件尺寸高度可控、可靠性高、无运动部件、无污染和无噪音等优势。

温差发电可应用于深空探测中的放射性同位素温差发电电源，如“好奇号”火星探测器，“旅行者1号”行星探测器都通过使用放射性同位素热电发生器来发电。电子制冷具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点，且工作可靠，操作简便，易于进行冷量调节，常用于耗冷量小及空间狭窄的场合，如电子设备和无线电通信设备中重要元件的冷却，这对于未来通讯、物联网、5G芯片的微型电子器件等领域的精确温控具有重要意义。

科学家开发高能量密度热电器件

在热电转换领域，研究人员通常采用无机半导体材料，比如碲化铋材料，制备无机热电器件。但这种材料相对较硬，加工工艺比较复杂，成本也很高。为了进一步提高热电器件的热能转化效率、推动器件实现大规模生产，并尽可能地拓宽其应用场景，来自广东省科学院化工研究所和广东工业大学等研究团队，采用热扩散效应和电极氧化还原反应的协同方法，制备了一种离子水凝胶热电发生器（Ionic hydrogel thermoelectric generators，ITEG），并在开式温度为 5 度的温度梯度下，实现了高达 40.60mV K-1 的热功率。

2023 年 4 月 17 日，相关论文以《电极上热扩散效应和氧化还原反应协同作用的高功率高能量密度离子热电发生器》（An Ionic Thermoelectric Generator with a Giant Output Power Density and High Energy Density Enabled by Synergy of Thermodiffusion Effect and Redox Reaction on Electrodes）为题在 Advanced Energy Materials 上发表。

热扩散效应是离子热电材料具有的一种效应。在电解质溶液中的离子，由于受到温度梯度差的影响，小的离子更容易移动到倾向于环境温度的一侧，而大的离子则会更多地移动到倾向于高温的一侧，这之间产生的电势势差，就叫做热扩散效应。由于该效应仅仅是一种电容效应，因此其放电时间也非常短暂。

据介绍，一开始课题组主要基于热扩散效应开展研究，并发表了系列研究成果。虽然如此，他们的成果却始终没有实现预期的效果，实际应用前景也不乐观。后来，他们尝试在热电流效应的基础上做了进一步提升，也就是结合了电极的氧化还原反应。这样做的原因在于，热电流效应是在电解质中进行氧化还原，因此电子的得失主要发生在溶液中，而电解质中的电子要想迁移到电极上，不仅比较困难，还需要经过一段路程，这既会导致较低的转化效率，还会造成电子的无效损失。

如果能够在电极上直接实现氧化还原，也就是让离子到达电极之后，以热诱导的方式发生氧化还原反应，而非通过电流进行驱动，就能很好地降低电子的迁移路程，从而达到较高的热电转换效率，并大幅提高热电器件对外供电的时间。“我们开发的这种器件可以实现 10 个小时以上的持续供电时间，而仅仅基于热扩散效应的器件，放电时间还停留在五分钟以内。”曾炜表示。他说：“目前我们器件具有的能源输出水平，比原始水凝胶的能量密度高了 26 倍，达到 570 焦耳每平方米，在当前同类报道中已属最高值。”

研究成果有可能的应用场景

作为一种全新的绿色能源来源，热电器件主要利用特殊的热电半导体，并通过温差来实现热能和电能的相互转化。随着近年来高性能的热电材料不断涌现，这类器件拥有巨大的潜力和广阔的应用前景。不过，在实际应用中，由于热电器件本身需要承受较大的温差载荷，而这会对内部热电材料产生较高的热应力并引起器件结构损坏，因此其并不能长期被可靠地使用。

从应用上看，该器件已经能为可穿戴电子产品、传感器等电子设备持续供电。此外，该团队还想进一步拓宽应用，比如将器件用于太阳能的光热电系统，以及建筑墙外的热能回收。

具体来说，通常阳光照射到太阳能面板上的温度大概在 60 至 80 摄氏度之间，这和真实的环境温度之间会存在几十摄氏度的温差。但如果把该团队目前开发的热电器件，贴合在太阳能面板的背后，就能将其中废弃的热能进一步转化为电能，进而提高太阳能的输出效率。而将器件用于建筑墙外的热能回收，则能够实现为建筑物本身供电的目的。

谈及该研究的后续计划，曾炜表示，目前主要采用聚苯胺来修饰电极，其氧化还原特性和容量相对有限。因此，下一步打算寻找更多与研究中的热电势对应的材料，比如磷酸亚铁、磷酸亚铁锂等含铁材料，来进一步提高氧化还原电极的密度和对外输出的能量。

与此同时，该团队还计划改善电极比电容、提高比表面积，以更好地提高电极的容量比例。此外，他们将继续优化水凝胶本身的结构设计，并拓宽材料的选择。