清華新聞網(wǎng)2月15日電 近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院張興、馬維剛課題組在離子熱電領(lǐng)域研究取得新進(jìn)展。在基礎(chǔ)理論方面，研究團(tuán)隊(duì)界定了離子系統(tǒng)中存在的三種基本熱電效應(yīng)，通過(guò)觀(guān)測(cè)帕爾貼效應(yīng)證明了離子熱電系統(tǒng)存在熱-電直接相互轉(zhuǎn)換，并驗(yàn)證了經(jīng)典熱電開(kāi)爾文關(guān)系在離子系統(tǒng)中同樣成立，初步建立了離子熱電效應(yīng)的熱電學(xué)理論框架。在功能應(yīng)用方面，提出利用濕度梯度與溫度梯度協(xié)同驅(qū)動(dòng)離子輸運(yùn)的新機(jī)制，構(gòu)建了兼具高能量輸出與多場(chǎng)感知能力的新型熱電器件，為離子熱電在可穿戴設(shè)備與智能感知中的應(yīng)用提供了新思路。
熱電效應(yīng)描述了熱能與電能之間的直接相互轉(zhuǎn)換，在能量轉(zhuǎn)換與溫度傳感等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)研究主要聚焦于以電子為載流子的半導(dǎo)體和金屬體系，而近年來(lái)，以離子遷移為主導(dǎo)的離子熱電材料因其高熱電響應(yīng)、優(yōu)異柔性和良好生物相容性，在柔性電子、自供能傳感等新興方向展現(xiàn)出極大潛力。當(dāng)前離子熱電領(lǐng)域的研究主要集中于新材料開(kāi)發(fā)，其熱電學(xué)框架尚未被充分考慮。針對(duì)該問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)從熱電學(xué)基本定義出發(fā)，重新梳理并界定了離子體系中的塞貝克、帕爾貼和湯姆遜效應(yīng)。通過(guò)構(gòu)建離子熱電異質(zhì)結(jié)并在惰性電極條件下施加電流，在實(shí)驗(yàn)上直接觀(guān)測(cè)到界面處顯著且可逆的帕爾貼吸熱與放熱行為，證實(shí)了離子體系中不僅存在熱-電轉(zhuǎn)換，還存在電-熱轉(zhuǎn)換過(guò)程。進(jìn)一步，提出一種無(wú)需直接測(cè)量熱流、僅基于熱電電動(dòng)勢(shì)的熱電系數(shù)測(cè)量方法，通過(guò)多組獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了離子體系中三種熱電系數(shù)在誤差范圍內(nèi)滿(mǎn)足經(jīng)典熱電開(kāi)爾文關(guān)系。這一成果初步建立了離子熱電效應(yīng)的熱電學(xué)理論框架，為離子熱電提供了更清晰的物理圖像，并為離子熱電材料理性設(shè)計(jì)及新型器件開(kāi)發(fā)拓展了新思路。
在功能應(yīng)用方面，多數(shù)離子熱電器件依賴(lài)高濕度環(huán)境，較少探討濕度梯度對(duì)其性能的影響。同時(shí)，經(jīng)典離子熱電器件輸出能量密度低且持續(xù)供電能力不足，難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。如何突破這些性能瓶頸并實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)協(xié)同感知，成為該領(lǐng)域面臨的核心挑戰(zhàn)。為解決上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出濕氣擴(kuò)散、熱傳導(dǎo)與離子遷移三者耦合的新機(jī)制，通過(guò)在柔性PEDOT:PSS/PVA基體中摻雜CsCl鹽制備出自支撐薄膜，并借助封裝與電極設(shè)計(jì)構(gòu)建穩(wěn)定可控的內(nèi)部濕度梯度。研究發(fā)現(xiàn)，相比均勻濕度環(huán)境，濕度梯度顯著增強(qiáng)凈離子流，大幅提升電勢(shì)響應(yīng)；微觀(guān)機(jī)制研究表明，濕–熱協(xié)同輸運(yùn)誘導(dǎo)出明顯的離子濃度梯度，水分子網(wǎng)絡(luò)不僅形成高效傳輸通道，還通過(guò)差異化離子水合作用實(shí)現(xiàn)了離子選擇性輸運(yùn)。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將器件成功應(yīng)用于高靈敏呼吸監(jiān)測(cè)與仿生機(jī)械手的多模態(tài)感知，為離子熱電器件開(kāi)發(fā)和實(shí)用化提供了新的技術(shù)思路。
相關(guān)研究成果分別以題為“熱電學(xué)框架內(nèi)的離子熱電效應(yīng)”（Ionic thermoelectric effect within the framework of thermoelectricity）和“濕度梯度協(xié)同增強(qiáng)的離子熱電”（Moisture-gradient-enhanced ionic thermoelectrics）的論文于近期發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）和《自然·通訊》（Nature Communications）上。
清華大學(xué)航院2023級(jí)博士生吳翊丹和2021級(jí)博士生趙春雨分別為論文的第一作者，清華大學(xué)航院馬維剛教授為論文通訊作者，合作者包括清華大學(xué)航院張興教授和航院博士畢業(yè)生宋東興（現(xiàn)為鄭州大學(xué)教授）。相關(guān)研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等的資助。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/bh7m-fzs8
https://www.nature.com/articles/s41467-025-66027-w
供稿：航院
編輯：楊雪文
審核：周襄楠
