温度自适应自再生离子热电循环：实现时域热能采集的新突破

本刊推荐：为解决昼夜温差变化中时域热能采集的难题，研究人员开展了基于离子热电材料的时间域离子热电循环（t-ITC）研究。通过设计具有相反温度系数的双凝胶体系并提出温度自适应自再生（TASR）策略，实现了临界再生温度（TCR）的自调节。该器件在60°C至10°C循环条件下获得3.28 kJ·m-2的单周期能量密度和8.39%的相对卡诺效率，为全球不同环境下的时域热能利用提供了新方案。

　　

随着可持续能源需求的日益增长，利用低品位废热发电的离子热电材料（ionic thermoelectric materials）引起了广泛关注。传统热电发电技术依赖于热源与环境之间的空间温度梯度，但对于分布分散、温差较小的低品位热能，建立大的温度梯度十分困难。地球沙漠地区的昼夜温差可达50°C，月球表面昼夜温差甚至高达310°C，这些时域温度变化蕴含着巨大的能量收集潜力。然而，现有方法多需通过热存储系统将时域温差转换为空间温度梯度，再结合传统热电发电机使用，效率较低且受限于空间布局。

针对这一挑战，香港城市大学与南方科技大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项创新研究，提出了一种用于时域热能采集的离子热电循环（t-ITC）系统。该系统采用两种具有相反温度系数的凝胶，通过温度自适应自再生（TASR）策略，将临界再生温度（T_CR）设定在温度波动的中点，实现了器件的长期稳定运行。

研究采用聚丙烯酰胺-聚乙烯吡咯烷酮（PAM-PVP）基质，结合KI₃/KI和K₃Fe(CN)₆/K₄Fe(CN)₆氧化还原电对，两者共享相同的反离子K⁺以实现再生过程。通过紫外-可见光谱（UV-VIS）和拉曼光谱（Raman spectroscopy）分析了离子浓度变化和材料相互作用，使用电化学工作站（Zennium Pro）进行热电性能测试，并通过万能试验机（Instron 3342）评估水凝胶的力学性能。器件采用亲水碳纸（CP）电极和阳离子交换膜（CEM）组装，在不同温度条件下（10°C至75°C）测试其输出性能。

工程化通过温度自适应自再生策略实现的T_CR调控

研究通过共享反离子的自平衡方法，实现了电极电位的自动平衡。在TASR处理过程中，I₃^-/I^-电对的浓度比从1降至0.23，而Fe(CN)₆^3-/Fe(CN)₆^4-的浓度比从1升至7.38，使临界再生温度从17°C调整到35°C，完美适应昼夜温差环境。

通过水凝胶基质增强器件热电性能和稳定性

PAM-PVP双网络水凝胶基质通过选择性相互作用显著提高了I₃^-/I^-电对的热电系数（α），从-0.6 mV·K^-1提升至-1.13 mV·K^-1，同时保持Fe(CN)₆^3-/Fe(CN)_{6^4-的α稳定在1.3 mV·K^-1，使器件热电功率（St-ITC）达到2.4 mV·K^-1。PVP的加入还通过碘封装效应显著提升了器件的循环稳定性，经过300次循环后仍保持90%以上的放电能量。}

设计用于全天候能量采集的t-ITC模块

研究展示了5×5阵列的集成模块设计，通过调整T_CR值适应不同气候条件。在新疆沙漠地区（昼夜温差达50°C）和西方高原地区（夜间温度低于0°C）的模拟测试中，模块分别实现了在5°C至75°C和-10°C至40°C温度范围内的稳定运行，最高开路电压达2.1V，最大功率达5.4mW。

研究结论表明，这种水凝胶基t-ITC系统成功实现了对时域热能的高效采集，特别是针对昼夜温度波动。通过温度自适应机制和自再生策略，系统能够自动调整电极电位，在动态热环境中优化性能。采用PAM-PVP水凝胶和KI₃/KI、K₃Fe(CN)₆/K₄Fe(CN)₆氧化还原电对，系统获得了2.4mV·K^-1的热电功率和1.6W·m^-2的峰值功率密度。在等温条件（10°C和60°C）下，集成模块能够直接为LED阵列和数字仪器等电子设备供电。

这项研究的重要意义在于提供了一种变革性的解决方案，能够从全球各种环境中的时域热能中实现连续高效的能量采集。相对卡诺效率达到3.93%（无热回收）和8.39%（70%热回收），是目前报道的水凝胶基离子热电系统中的最高水平。该系统在炎热沙漠和寒冷高原等实际应用场景中展现出巨大潜力，为低品位热能转换领域奠定了坚实基础，对未来可持续能源技术的发展具有重要推动作用。