曾炜研究员、王前明研究员观点：使用氧化还原电对电极在离子热电化学电池中实现巨大且连续的输出功率

第一作者：张文聪

通讯作者：曾炜*，王前明*

单位：广东省科学院化工研究所，华南师范大学

低品位热能广泛存在于环境和工业生产过程中，如：太阳余热、车辆、工业、电子等。由于缺乏经济高效的能源回收技术，这部分能量通常被废弃。传统的热电材料在热电势方面存在限制，通常只能提供较低的热电势（μV/K）。为了克服这一限制，离子热电化学电池（TEC）作为一种有效的新型热电材料被提出，它可以提供更高的热电势，达到每度每毫伏（mV/K）的水平。然而，由于离子不能通过外电路而被限制在液体/电解质介质中，导致其热电转换效率较低。在此，本文将氧化还原电对引入电极表面，可以最大限度地提高传质效率，从而提高离子热电化学电池（TEC）的热电转换性能。

近日，来自广东省科学院化工研究所的曾炜研究员与华南师范大学的王前明研究员合作，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Gigantic and Continuous Output Power in Ionic Thermo-Electrochemical Cells by Using Electrodes with Redox Couples”的研究文章。该研究文章建立了一种基于Grotthuss质子传输机制和电极上的氧化还原反应组成的协同组合，增强了离子热电化学电池（TEC）的热电转换性能，并揭示了热电转换机理（图1）。在 T _H = 30 °C、T _C = 15 °C 下，这种TEC能提供大约0.4 V的高输出电压，优异的瞬时输出功率密度（20.26 mW m^-2 K^-2 ) 和创纪录的 2 h 输出能量密度 (2451 J m^-2 ) ，以及 1.12% 的相对卡诺效率。

聚丙烯酰胺水凝胶在其长聚合物链中及水环境中具有许多氢键受体和供体，质子可以与相邻的酰胺基上的氧原子及水分子中的氧原子产生强相互作用，形成具有方向性的不对称氢键(O─H─O)。在温差下，H⁺将以Grotthuss质子传输机制从热端快速扩散至冷端，即：质子通过氢键从一个载体快速扩散到另一个相邻的载体，而C₆H_18−xO₂₄P₆^x−由于具有较大的体积且以平移方式扩散，其热扩散速率远小于H⁺，从而使得H⁺大量聚集在冷端，而C₆H_18−xO₂₄P₆^x−大量停留在热端，进而提高了TEC的热电势。

由于二茂铁具有优异的可逆氧化-还原性能和电化学活性，将二茂铁作为氧化还原活性物质引入非对称电极TEC中也能实现高热电势和持续输出功率，约为对称电极TEC的80%，一定程度上说明了在TEC中引入对称和非对称氧化还原电对电极的策略是有效且普遍适用的。

Gigantic and Continuous Output Power in Ionic Thermo-Electrochemical Cells by Using Electrodes with Redox Couples

曾炜研究员简介：2007年毕业于中山大学，获博士学位。2007-2019年在香港理工大学纺织及服装学系担任research fellow，主要从事可穿戴能源转换材料的研究工作。2019年11月起工作于广东省科学院化工研究所，为广东省科学院百人计划B类引进人才，现任广东省科学院化工研究所柔性传感技术研究中心主任。现主要从事智能传感、可穿戴能源采集及系统集成、柔性电池基础与应用基础研究工作。主持国家自然科学基金面上项目、广东省科学院建设国内一流研究机构行动专项、广州市基础与应用基础研究等10余个项目。已在Advanced Materials，Advanced Energy Materials, Energy & Environmental Science等期刊上发表论文40余篇，申请和授权20余件专利，出版国内外著作6部，引用次数超过3000余次。