马儒军教授，AM观点：具有超高热电性能的强韧热电水凝胶

第一作者：刘利利，张鼎

通讯作者：马儒军*

单位：南开大学

热电池可以持续将热量转化为电能，广泛用于为可穿戴电子设备供电。然而，液态电解质存在泄漏和机械性能差的风险。尽管准固态离子热电池可以克服电解质泄漏的问题，但其机械性能相对较弱，因此实现优异的机械性能和高热电势之间的权衡仍然是一个重大挑战。本篇观点力求制备具有高效热电转换以及灵活可靠的可穿戴电子设备，特别是应对准固态热电池力学性能低的体系，同时还在进一步提升热电池的热电性能方面取得的进展。本文为未来的研究提供了方向，有助于加速高性能柔性热电材料领域的研究及实际应用。

近日，南开大学马儒军教授团队在国际知名期刊《Advanced Materials》上发表题为“Strong tough thermogalvanic hydrogel thermocell with extraordinarily high thermoelectric performance”的文章。该工作将拉伸诱导结晶和热电化学效应相结合，制备了一种高热电性能的强韧可拉伸聚乙烯醇热电水凝胶。

本文选择 [Fe(CN)₆]^4-和[Fe(CN)₆]^3-作为氧化/还原离子对，并引入一种典型的离液阳离子胍离子，通过破坏[Fe(CN)₆]^4-的水合层，诱导[Fe(CN)₆]^4-结晶，促进氧化/还原离子对的可逆反应从而实现热电转换。通过调节离子浓度，系统研究热电系数与电导率的变化关系。经过优化，热电水凝胶有高达6.5 mV K^-1 的热电系数和1969 µW m^-2 K^-2的比输出功率密度。

为了提高热电水凝胶的力学性能，本文通过反复冻融辅助拉伸聚乙烯醇，使聚合物链发生结晶以及沿拉伸方向的强取向性，导致各向异性网络的形成。结合拉伸诱导聚合物链产生的收缩应力，水凝胶具有19 MPa的高断裂强度和163.4MJ m^-3的韧性。通过调节[Fe(CN)₆]^4-/3-和胍离子与PVA分子链之间的聚集状态，可以构建了一系列具有不同力学强度的热电水凝胶。

最后，本文通过将热电水凝胶与机械手相结合来收集环境中的低品位热能，并通过设计并联阵列的热电水凝胶器件，来用于能量自主应变传感和健康监测，产生的电能可以驱动低功率的医疗器件，有助于推动绿色可持续、可穿戴电子产品在物联网时代的应用。

当前对实现准固态热电池优异的机械性能和高热电势之间的权衡力学的了解和研究仍然有限，这也是未来研究的一个潜在方向。由于传统准固态热电池的机械性能相对较低，对研发坚固可靠的可穿戴电子器件是一大隐患。本工作克服了传统热电池的机械限制，优化了热电性能，为设计具备高效热电转换以及灵活可靠的可穿戴电子设备提供了一种可行方案。然而，对于热化学电池的相对卡诺循环效率来说，塞贝克系数、热导率以及电导率三个参数紧密关联，这三个参数之间强耦合，很难实现协同优化，因此提高电池效率对整个热化学电池领域的发展具有重要意义。

“Strong tough thermogalvanic hydrogel thermocell with extraordinarily high thermoelectric performance”

马儒军 教授 简介：南开大学材料科学与工程学院教授、博导，国家四青人才，科技部国家重点研发计划“变革性技术”重点专项课题负责人，主持国家自然科学基金面上项目（2）与国际交流项目、天津市自然科学基金重点项目等。2013年2月博士毕业于韩国成均馆大学纳米科技学院（导师：Seunghyun Baik教授），随后在该校能源科学学院与基础科学研究院从事博士后研究员的工作，并于2015年4月加入美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）裴启兵教授课题组继续从事博士后研究员的工作。2018年9月加入南开大学材料科学与工程学院。

主要研究方向为柔性主动/被动固态制冷材料与器件及多功能柔性热电材料与器件。近年来以通讯或第一作者发表的国际著名期刊有Science, PNAS, Nature Communications, Joule, Chemical Society Reviews, Energy & Environmental Science, Advanced Materials (4), Advanced Energy Materials, Nano Letters (6), ACS nano等；授权美国、中国、韩国专利10余项，申请国际专利2项。

该工作是马儒军教授团队近期关于高性能柔性热电材料结构设计与应用的最新进展之一。马儒军教授目前为南开大学材料科学与工程学院智能热管理实验室负责人，近年来在主动/被动制冷材料、柔性热电材料与器件、高性能柔性导热复合材料、能源转换材料与器件等多学科交叉领域取得了一系列重要的研究成果，并以通讯或第一作者发表在Science, PNAS, Nature Communications, Joule, Chemical Society Reviews, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Nano Letters, ACS Nano等国际知名期刊上。

实验室拥有先进的材料制备平台以及电学、热学等测试系统，并围绕国家重点研发计划项目等多项课题，展开新能源与智能热管理技术方向的研究。团队现诚招材料、化学、物理、电子等相关专业背景的博士后，欢迎有志之士将个人简历（pdf）发送至马儒军教授邮箱malab@nankai.edu.cn，邮件标题请注明：“应聘博士后+本人姓名+博士毕业院校”，对于符合要求并通过初审者，将会通知安排面试。招聘启事在岗位招满前有效。

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