具有更高热电势和机械性能的离子水凝胶可持续热电转换技术，用于高效监测植物土壤的温度与湿度

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Sustainable thermoelectric conversion of ionic hydrogels with enhanced thermopower and mechanical property towards efficiently monitoring the temperature and humidity of plant soils

　　

摘要

在可持续能源技术领域，利用可再生能源为植物生长环境提供自供电的传感与监测功能已成为研究热点。基于索雷特效应（热扩散效应）的离子热电水凝胶在这类应用中展现出巨大潜力。然而，如何同时提升离子热电水凝胶的结构稳定性与热电性能仍是一项重大挑战。本研究提出了一种在聚合物网络中实现的离子选择性跳跃传输机制。通过共价交联结合盐析效应，提升了离子热电水凝胶的结构稳定性。更重要的是，由于网络对阳离子和阴离子具有选择性亲和力，从而引发了阳离子的跳跃传输机制，进而提升了水凝胶的热电性能。其应力值和热电势分别高达28.2?kPa和12.94?mV?K^?1。最终，这种高性能离子热电水凝胶能够高效地将热能转换为电能，被用于监测植物环境中的土壤温度和湿度。本研究为调控用于监测土壤温度和湿度的自供电离子热电水凝胶的机械性能与热电性能提供了理论指导。

引言

气候变化，包括全球变暖、降雨模式不稳定以及极端天气事件，正在威胁着绿色植物的生存[1]。为应对这一挑战，智能农业作为一种重要且极具创新性的方法应运而生[2]。自供电传感技术可通过从周围环境中获取可再生能源来维持传感器的持续运行，从而为长期监测植物健康状况提供了新途径[3]。近年来，基于离子热电效应的能量转换技术受到了广泛关注，因为它们能够直接将环境中的低品位热能转换为电能[4,5]。离子热电水凝胶由三维聚合物网络和可移动离子组成。在温度梯度作用下，通过离子索雷特效应实现热电转换[6,7]。这类材料具有较高的塞贝克系数[8]、出色的机械柔韧性[9]、可编程的界面适应性[10]以及良好的生物相容性[11]。因此，它们被视为开发柔性自供电传感器的理想候选材料，在监测土壤温度和湿度方面具有巨大应用前景。不过，要同时提升离子热电水凝胶的结构稳定性与热电性能，以满足不同环境条件下的传感器使用需求，依然是一项艰巨任务。

尽管离子热电水凝胶在实际应用中具有巨大潜力，但它们仍受到结构稳定性不足以及热电输出性能不强的限制。传统离子水凝胶的机械性能主要源自于由离子键或静电相互作用形成的物理交联网络。由于这些非共价相互作用的键能相对较低，网络在外部应力作用下容易发生解离和重构[12,13]。同时，物理交联网络通常存在空间分布不均匀的问题，且仅有一种能量耗散机制，这使得应力容易在网络内部集中，从而导致其机械强度和韧性较低[14,15]。另一方面，热电性能则主要由离子迁移决定。在温度梯度作用下，阳离子和阴离子通常会同时发生热扩散，从而产生极性相反的热电压，这使得净热电输出被部分抵消[16]。此外，聚合物网络还会对离子迁移施加额外限制，进一步降低热电转换效率[17]。因此，如何同时构建稳定的网络结构并实现高效的离子传输，是提升离子热电水凝胶整体性能的关键所在。

离子热电水凝胶的机械性能与热电潜力与其溶解的电解质与聚合物之间的相互作用密切相关[18]。高盐浓度环境能够改善聚合物前体的溶解状态，从而有助于形成更致密、更稳定的共价交联网络[19]。一方面，聚合物与电解质离子之间存在较强的非共价相互作用，这些离子会对聚合物的强度产生多种调控作用[9]；另一方面，聚合物网络内的电荷分布能够调控离子迁移行为，从而实现离子选择性的热电传输[20]。因此，通过协同设计共价交联网络与聚合物-离子相互作用，有望同时提升结构稳定性与热电输出性能。

本研究提出了一种可持续的高性能离子热电水凝胶，可用于高效监测土壤温度和湿度（见图1）。具体而言，该水凝胶是通过光引发聚合反应形成聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸)钠交联网络，而水溶性醋酸根离子带来的盐析效应则进一步提升了该交联网络的结构稳定性。此外，由于带负电的交联网络对阳离子具有选择性亲和力，因此促进了锂离子的跳跃传输，进而提升了离子热电水凝胶的热电性能。最终，这种高性能离子热电水凝胶被应用于自然环境中的热能转换，实现了自供电式的土壤温度和湿度高效监测。本研究为设计高性能离子热电水凝胶提供了新的思路，有望推动这类材料在用于监测土壤温度和湿度的自供电设备中的实际应用。

章节节选

材料信息

醋酸锂（CH₃COOLi，99%）购自Aladdin公司。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸钠（C₇H₁₂NNaO₄S，以H₂O计含量为50?wt%）购自Adamas公司。二甲基亚砜（C₂H₆OS，分析级，99%）购自Damao公司。N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（C₇H₁₀N₂O₂，99%）和2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基丙基苯酮（Irgacure2959，98%）均购自Adamas公司。碳纤维织物（1071HCB）购自美国AvCarb, Inc.公司。所有化学品均按其原始状态使用，未进行任何额外处理。

ANCDs的制备

为验证同时提升离子热电水凝胶的热电性能与机械性能这一策略的有效性，本研究设计了一种具有离子选择性跳跃传输机制的离子热电水凝胶。该水凝胶是通过简单的一锅法制备的：通过紫外光诱导的自由基聚合反应形成共价交联的AMPS-Na网络，而盐析效应则进一步提升了该交联网络的结构稳定性。

结论

在本研究中，我们开发出一种p型离子热电水凝胶，其在共价交联的盐析聚合物网络中具有离子选择性跳跃传输机制，同时我们还展示了该水凝胶在自供电式土壤温度和湿度监测中的应用。醋酸根离子带来的盐析效应提升了AMPS-Na交联网络的稳定性，使得该水凝胶具有374.19%的优异伸展率。带负电的聚合物网络则进一步...

作者贡献说明

罗璐：实验研究、方法设计、软件应用、初稿撰写。文凯琳：实验研究、方法设计。张佳成：实验研究、方法设计、初稿撰写。林鹏程：实验研究、方法设计、资源提供、实验监督、结果验证、论文修订与编辑。陈颖：资源提供、论文修订与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了广东省基础与应用基础研究基金的资助（项目编号：2025A1515010238）。

罗璐|文凯琳|张佳成|林鹏程|陈颖

广东工业大学材料与能源学院，中国广东，510006