如今，热能广泛地存在于人类的生产和生活中。在这些热能中，低品级的热能占据了相当大的比例。其大部分来源于化石燃料、工业生产和人体，温度在100摄氏度以下，完全以辐射的方式散发在空气中，属于无效能源。
　　如果能够实现低品级热能的回收利用，将有助于环境保护和可持续发展。相比于热能，电能是一种有序能源，因此，将热能转换为电能，是一种具有广阔应用前景的能量回收方法。
　　在该领域，研究人员通常采用无机半导体材料，比如碲化铋材料，制备无机热电器件。但这种材料相对较硬，加工工艺比较复杂，成本也很高。
　　为了进一步提高热电器件的热能转化效率、推动器件实现大规模生产，并尽可能地拓宽其应用场景，来自广东省科学院化工研究所和广东工业大学等研究团队，采用热扩散效应和电极氧化还原反应的协同方法，制备了一种离子水凝胶热电发生器（Ionic h y d r o g e l t h e r m o e l e c t r i c generators，ITEG），并在开式温度为5度的温度梯度下，实现了高达40.60mV K-1的热功率。
　　4月17日，相关论文以《电极上热扩散效应和氧化还原反应协同作用的高功率高能量密度离子热电发生器》（An Ionic Thermoelectric Generator with a Giant Output Power Density and High Energy Density Enabled by Synergy of Thermodiffusion Effect a n d R e d o x R e a c t i o n o n Electrodes）为题在Advanced Energy Materials上发表。
　　广东省科学院化工研究所和广东工业大学联合培养研究生蒋开祥为该论文的第一作者，广东省科学院化工研究所曾炜研究员和广东工业大学朱东雨副教授担任该论文的共同通讯作者。
　　热扩散效应是离子热电材料具有的一种效应。在电解质溶液中的离子，由于受到温度梯度差的影响，小的离子更容易移动到倾向于环境温度的一侧，而大的离子则会更多地移动到倾向于高温的一侧，这之间产生的电势差，就叫作热扩散效应。由于该效应仅仅是一种电容效应，因此其放电时间也非常短暂。
　　据介绍，一开始课题组主要基于热扩散效应开展研究，并发表了系列研究成果。虽然如此，他们的成果却始终没有实现预期的效果，实际应用前景也不乐观。后来，他们尝试在热电流效应的基础上做了进一步提升，也就是结合了电极的氧化还原反应。
　　这样做的原因在于，热电流效应是在电解质中进行氧化还原，因此电子的得失主要发生在溶液中，而电解质中的电子要想迁移到电极上，不仅比较困难，还需要经过一段路程，这既会导致较低的转化效率，还会造成电子的无效损失。
　　如果能够在电极上直接实现氧化还原，也就是让离子到达电极之后，以热诱导的方式发生氧化还原反应，而非通过电流进行驱动，就能很好地降低电子的迁移路程，从而达到较高的热电转换效率，并大幅提高热电器件对外供电的时间。
　　“我们开发的这种器件可以实现10小时以上的持续供电时间，而仅仅基于热扩散效应的器件，放电时间还停留在5分钟以内。”曾炜表示。他说：“目前我们器件具有的能源输出水平，比原始水凝胶的能量密度高了26倍，达到570焦耳每平方米，在当前同类报道中已属最高值。”
　　因此，从应用上看，该器件已经能为可穿戴电子产品、传感器等电子设备持续供电。此外，该团队还想进一步拓宽应用，比如将器件用于太阳能的光热电系统，以及建筑墙外的热能回收。
　　具体来说，通常阳光照射到太阳能面板上的温度大概在60至80摄氏度之间，这和真实的环境温度之间会存在几十摄氏度的温差。但如果把该团队目前开发的热电器件，贴合在太阳能面板的背后，就能将其中废弃的热能进一步转化为电能，进而提高太阳能的输出效率。而将器件用于建筑墙外的热能回收，则能够实现为建筑物本身供电的目的。
　　谈及该研究的后续计划，曾炜表示，目前主要采用聚苯胺来修饰电极，其氧化还原特性和容量相对有限。因此，下一步打算寻找更多与研究中的热电势对应的材料，比如磷酸亚铁、磷酸亚铁锂等含铁材料，来进一步提高氧化还原电极的密度和对外输出的能量。
　　与此同时，该团队还计划改善电极比电容、提高比表面积，以更好地提高电极的容量比例。此外，他们将继续优化水凝胶本身的结构设计，并拓宽材料的选择。 （麻省）