《ENERGY AND BUILDINGS》：Load-bearing hydrated porous inorganic frameworks for low-grade heat harvesting and intermittent wireless sensing
编辑推荐：
•承载性水合无机框架收集环境低品位热量。•水合通道降低传输阻力并支撑热极化效应。•优化后的框架兼具低热泄漏与高热电势。•由12个单元组成的阵列通过电容器充电触发间歇性BLE传感。引言低品位热量通过太阳辐射吸收、室内外热交换以及昼夜温差循环，持续地在建筑围护结构、路面、桥梁及其
- •
承载性水合无机框架收集环境低品位热量。
- •
水合通道降低传输阻力并支撑热极化效应。
- •
优化后的框架兼具低热泄漏与高热电势。
- •
由12个单元组成的阵列通过电容器充电触发间歇性BLE传感。
引言
低品位热量通过太阳辐射吸收、室内外热交换以及昼夜温差循环，持续地在建筑围护结构、路面、桥梁及其他外露基础设施表面之间进行交换。这些热梯度虽然幅度较小、空间分布广泛且随时间变化，但在外露基础设施上普遍可得。通过热电效应或热致电化学效应将此类弥散的热梯度转化为电能，为分布式监测节点供电提供了一种可能的途径，从而减少仅依赖电池或有线供电的局限性[1]、[2]、[3]、[4]。然而，对于实际基础设施应用而言，能量收集装置必须同时兼顾结构耐久性、可扩展性以及在外露环境下随温度梯度波动而工作的兼容性[5]。这一需求不同于传统热电器件的设计逻辑，后者通常将固有转换效率置于结构集成性之上。
无机热电材料，如碲化铋（Bi?Te?）基合金和硒化锡（SnSe）晶体，通过载流子优化、能带结构工程和声子输运调控，已建立了重要的性能基准[6]、[7]、[8]。近期柔性无机热电材料进一步提升了能量收集应用的机械适应性[9]。然而，基于致密半导体的系统由于成本、刚性、接触要求及制造复杂性等原因，仍然难以在大面积承载表面上实现规模化部署。多孔胶凝材料和碱激活性无机基体与建筑和土木工程基础设施更为兼容，具备低成本、可扩展性和机械连续性[10]、[11]、[12]。然而，其能量收集性能仍受限于低导电率、热泄漏、水分依赖性离子迁移以及功能改性对结构完整性的影响[13]、[14]。
水合多孔无机框架提供了一条替代路径，因为其承载骨架、孔溶液和水合界面可以在热梯度下共同产生响应。在这类体系中，水合孔网络可支持离子热扩散和界面极化，而无机骨架则提供机械连续性并有助于维持温度梯度[15]、[16]。地聚物衍生的铝硅酸盐框架适合研究这种耦合关系，因为它们含有碱性孔溶液、羟基化界面，以及在机械连续基体中的硅酸钠水合物（NASH）网络[17]、[18]、[19]。此前研究表明，二氧化锰（MnO?）的掺入可显著提升地聚物的热电响应，并进一步将这些材料拓展至应变硬化传感和耦合离子-电子输运调控领域[20]、[21]、[22]。孔结构和导电添加剂的调控也被探索用于改善热电性能[23]、[24]。然而，电子活性MnO?界面与水合孔网络各自的作用仍然难以区分，特别是在热电压生成、离子输运、热保持和机械完整性之间如何耦合方面。此外，将这些材料层面的响应转化为在环境热梯度条件下可用的能量存储和传感功能，仍有待进一步验证。
为弥补上述不足，本研究构建了一种用于低品位热量收集和间歇性无线传感的承载性水合多孔无机框架。通过MnO?辅助成核与聚乙烯醇（PVA）辅助孔调控，开发出机械连续的NASH基骨架，形成连通的微米尺度水合通道。该设计用于调节孔壁附近的水分保持、改变水合界面环境，并在维持离子输运通道的同时调节MnO?/NASH的电荷重新分布。研究了孔连通性、水合界面化学、混合离子-电子输运与热致极化之间的关系，以区分水合孔网络和电子活性MnO?界面对热响应的各自贡献。进一步评估了机械完整性、热学及电学性能、单元级输出以及户外阵列运行效果，以检验环境热梯度能否转化为可供间歇性传感使用的可用电力。
章节摘要
材料
PVA（水解度99%，分子量80,000–90,000）和MnO?（99%）购自阿拉丁（中国上海）。乙二醇（99%）购自西安天马。硼砂（95%）、Na?SO?（99%）和KOH（85%）分别购自天津华胜和天津科密。I类粉煤灰和磨细高炉矿渣分别由石家庄苯奥和河北友盛提供。其化学成分详见表S1。NaOH（96%）和Na?SiO?溶液
水合多孔无机框架的形成
地聚物衍生的无机框架的水化动力学显著受MnO?和水凝胶的影响（图S2）。作为异相成核位点，MnO?颗粒加速了前驱体的溶解和聚合缩合，使得GM的累计放热量和主要放热峰均超过G[27]。相比之下，水凝胶初始阶段降低了GH的热演化速率，并延迟了其主要放热峰，因为水凝胶网络吸水降低了
结论
GHM框架表明，水分保持、孔连通性和氧化物-框架界面可以协同作用，在水合多孔无机材料中构建耦合输运环境。PVA辅助孔调控与MnO?辅助成核共同生成具有相互连通微米级孔隙的机械连续NASH骨架，使得水的状态和孔连通性能够同时调节。在此结构中，PVA改性的水合界面
CRediT作者贡献声明
Fei Hailiang：撰写——初稿、验证、方法学、调查研究、形式分析、数据整理、概念构思。Deng Leijie：方法学、形式分析。Hu Hanyun：验证、调查研究。Pei Zhiyang：验证、调查研究。Xie Wenjie：调查研究、形式分析。Wu Haoliang：撰写——审阅与编辑、形式分析。Wang Yifeng：撰写——审阅与编辑、形式分析。Cai Jingming：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、经费
致谢
本研究得到"智能电网-国家科技重大专项"（2030）项目（项目编号：2026ZD0809700）以及东南大学"至善青年学者计划"（项目编号：2242025RCB0008）的资助。
Fei Hailiang | Deng Leijie | Hu Hanyun | Pei Zhiyang | Xie Wenjie | Wu Haoliang | Wang Yifeng | Cai Jingming
