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  可穿戴智能材料的可持續能量供應問題，是目前需要解決的熱門問題。然而，基于當前“雙碳”目標和可持續發展的挑戰，在能源的供給上面臨較大的碳減排任務。其中熱電材料可以利用自然界中廣泛存在的溫度差和熱電轉換機制，把熱能轉化為電能，為未來物聯網系統持續供能的重要途徑。傳統的熱電材料主要集中于無機半導體等脆性剛性材料，難以匹配需要拉伸變形的動態人機交互界面，而早期的液態熱電池或者有機固態離子熱電材料則主要受限于漏液或者功率密度低、力學脆弱的缺點。針對這些問題，武培怡教授課題組率先設計了力學穩固的雙網絡水凝膠準固態熱電池，實現了高功率密度的持續供電功能。并進一步通過對聚乙烯醇反復凍融、機械訓練等方法實現了離子電導率和力學性能之間的平衡，為抗疲勞離子型半固態熱電池的發展做出重要啟發。

  然而，考慮到未來的實際生產應用，為縮短時長和經濟成本，抗疲勞熱電池的制備流程需要進一步簡化。另外，非接觸式人機交互是可穿戴技術的未來發展趨勢，近幾年冠狀病毒病(COVID-19)的大流行更加突出了這一需求。因此，通過對材料的化學結構進行合理設計，開發高性能、制備方法簡單、可遠程控制的熱電材料，是該領域迫切需要解決的核心問題，對未來物聯網系統的整合具有重要意義。

  為解決上述問題，河南師范大學化學化工學院胡志國教授、時曉芳博士研究團隊和東華大學武培怡教授研究團隊報道了一種基于雙氫鍵作用的超分子水凝膠熱電池。該熱電池材料由一步光引發自由基聚合快速制備而成；由雙氫鍵貫穿的超分子凝膠網絡，賦予該離子熱電池媲美當前最高水平的離子電導率和力學抗疲勞性能。同時該熱電池網絡可以容納飽和(K₄[Fe(CN)₆] /K₃[Fe(CN)₆])電解液，使其具有較強的近紅外光吸收能力和光熱效應，可進一步用于光遙控、自發電、傳感一體化應用。相關結果以“Double Hydrogen-bonding Reinforced High Performance Supramolecular Hydrogel Thermocell for Self-powered Sensing Remote-controlled by Light”為題發表在國際知名期刊《Advanced Functional Materials》上。文章第一作者為河南師范大學青年教師時曉芳，第二作者為河南師范大學研究生馬琳。

圖1. (a) PNAGA-F68超分子水凝膠的制備過程、(b) 粘彈性表征和 (c)內部結構。

圖2. PNAGA-F68 熱電池的電化學性能。

  如圖2，PNAGA-F68 熱電池的熱電壓達到-2.17mV K^-1, 40 攝氏度溫差下的功率密度為0.23 mW m^?2 K^?2，室溫下離子電導率為7.0 S.m^-1。在反復彎曲、拉伸、扭轉的情況下，保持穩定的輸出電壓和電流，可適應人體的運動，滿足可穿戴需求。

圖3. PNAGA-F68 熱電池的力學性能及綜合性能比較。

  由化學交聯的PNAGA-F68鏈以及物理交聯的氫鍵作用、金屬配位作用構成的超分子網絡結構使該熱電池具有優異的力學性能。楊氏模量達到2.6 MPa, 抗疲勞閾值為3120 J.m^-2。相比于最新報道的其它半固態熱電材料，電化學性能和力學性能均處于較高水平。

圖4. PNAGA-F68 熱電池吸收人體體溫，并作為電源為房屋模型供電。

  PNAGA-F68熱電池可以組裝成電池陣列，產生更大的輸出電壓。該熱電池可以直接和皮膚接觸，通過吸收體溫的熱量進行發電，有潛力成為可穿戴設備的可持續的能量供應新途徑。

圖5. PNAGA-F68熱電池的熱電效應，及其光遙控自發電傳感一體化應用。

  在近紅外光的照射下，該熱電池產生光熱效應進行發電，產生電信號的變化。通過改變光的波長、強度以及照射時間，可以產生不同的信號響應，進行豐富的信息傳遞。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202211720 

  下載：Double Hydrogen-bonding Reinforced High Performance Supramolecular Hydrogel Thermocell for Self-powered Sensing Remote-controlled by Light