“果冻”能发电！南科大刘玮书课题组成果登上《科学》

机器人也爱吃“果冻”！南方科技大学材料科学与工程系副教授刘玮书课题组运用最新原创性研究，做出一个可以发电的“果冻”。这是刘玮书课题组与美国国家工程院院士、麻省理工学院教授陈刚课题组在离子型室温热电材料上获得的重大突破，通过离子的扩散熵与氧化还原电对反应熵的协同效应在准固态离子凝胶中实现了高达17 mV/K的巨热电势效应。研究成果日前发表在顶级期刊《科学》上。

基于Seebeck效应的热电转换材料可以实现热能与电能之间的直接相互转换，可为物联网体系中的小型传感器或电子设备提供可持续工作的电能。目前，基于传统电子型的热电转换材料（e-TE）在室温环境下捕获的能量可以达到毫瓦级的输出功率，但是受半导体电声输运行为的限制，优化的热电势约在200 μV/K左右。为了获得1至5伏的供传感器工作的电压，在室温环境下的小温差工况下需要成千上万对n/p传统电子型热电对，增加了热电器件的集成难度和复杂程度；或者需要外接DC-DC升压模块提高电压，但会增加功耗，提高成本。

离子型热电转换材料具有较高的热电势，产生热电势的形式大体上分为两种形式：一种是利用离子的热扩散效应，即利用温差下离子定向迁移的浓度差引起的熵变实现热到电的转换，这与以电子为能量载体的Seebeck效应类似；另一种是利用氧化/还原电对的温度效应，即利用氧化/还原反应过程中的熵变实现热到电的转变。该研究工作从实验和理论两个角度阐明了有负的温度系数的thermogalvanic效应和p型热电势的thermodiffusion效应能够协同作用进而产生高的p型热电势。

研究人员对准固态离子型热电转换器件提出了一种新的准连续热充电/放电工作模式，可以使器件循环运行100圈，实现5小时的工作时长。研究人员将25个5×5×1.8 mm的准固态离子型热电单元串联组装成柔性可穿戴器件，该器件利用人体温差实现高达2.2 V的电压和5μW最大输出功率。该工作以离子为能量载体实现热到电的转换，为物联网体系中传感器及电子设备实现所需电能自供给提供了一种选择。

据悉，刘玮书主要从事室温热电材料与器件的研究。2017年，刘玮书在为Material Today Physics撰写的一篇邀请综述论文中，提出“Go beyond Seebeck effect”的展望。经历了多次的失败，刘玮书课题组终于在“果冻”中找到了灵感，研发出了以离子为能量载体的新型室温热电材料。“果冻”的主要物质是从动物骨头中提取出来的高分子物质明胶，不仅可以作为餐桌上的美食，也是重要的工业原料。

论文第一作者为刘玮书课题组博士后韩成功，共同第一作者、麻省理工学院博士后钱鑫对于论文在协同效应的理论解释上有重要贡献。刘玮书和陈刚为论文通讯作者，南方科技大学为论文第一通讯单位。论文的参与作者还包括南科大物理系教授张文清、南开大学教授王卫超、香港大学副教授冯宪平，以及2018级南科大-港大联培博士生李其锴、2017级南科大-哈工大联培博士生朱永滨、2018级南科大-哈工大联培硕士生邓彪、北科大访问学生韩志佳等。

（深圳商报供稿）

编辑 陈伊翘