研 究 背 景

低品位热能广泛存在于工业设备运行、人体热以及自然环境中，但传统电子热电材料由于Seebeck系数较低，在低温差热能收集中的应用受到限制。相比之下，离子热电材料具有远高于传统电子热电材料的热电势（通常可达数十mV K^-1），近年来受到广泛关注。

目前大多数离子热电器件本质上仍然属于离子热电电容器（ITEC）。在温差作用下，离子在器件内部迁移并积累形成热电压，但由于离子无法跨越电极进入外电路，体系最终会达到平衡状态，输出电压逐渐衰减至零。因此，传统ITEC只能在温差不断波动的过程中通过“充电-放电”方式实现能量收集，而无法在稳态温差下持续发电。

针对这一关键问题，研究人员提出了一种基于MXene离子凝胶的混合离子-电子热电发电机（MTEG）。通过在离子凝胶中引入具有高电子导电性的MXene纳米片，在保留离子热扩散效应的同时，建立受限电子传输通道，从而实现离子与电子协同输运，并最终实现稳态温差下的持续热电输出。

成 果 介 绍

本工作以混合离子-电子热电（MTEG）设计为切入点，将具有高电子导电性的MXene（Ti₃C₂T_x）引入EMIM:DCA/明胶离子凝胶体系中，构筑出兼具离子输运与电子输运能力的混合离子-电子导体。研究表明，MXene纳米片能够稳定均匀分散于离子凝胶内部，并在接近渗流阈值时形成受限电子传输路径，在保持离子热扩散效应的同时建立受限电子传输路径，促进电子隧穿辅助输运。

在热电性能方面，该体系的最高热电势达到4.77 mV K^-1，并可在3 K稳态温差下实现长时间稳定输出；当MXene含量为5 wt%时，器件获得最佳综合输出性能，平均功率密度达到24.0 W m^-3。

作者进一步从实验与机理两方面揭示了体系中的离子-电子协同输运机制：一方面，离子在温度梯度驱动下发生Soret热扩散并建立离子热电压；另一方面，MXene纳米片之间形成电子隧穿路径，产生与离子热电压方向相反的电子热电压。两者最终形成动态平衡，从而实现稳态温差下持续热电输出。

该工作为离子热电器件从“间歇式输出”向“持续式发电”发展提供了新的设计思路。相关成果以“Mixed Ion-Electron Thermoelectric Generators With Ionogels Blended With MXene Continuously Harvesting Heat Under Both Steady and Fluctuated Temperature Gradients”为题发表在Carbon Energy上。

研 究 亮 点

1.构建了基于MXene/离子凝胶的混合离子-电子热电体系，实现离子输运与电子输运协同耦合。

2.提出了离子热扩散与电子隧穿动态平衡机制，实现稳态温差下持续热电输出。

3.构建的新型MTEG突破传统离子热电“电容式衰减”限制，可在3 K稳态温差下持续稳定工作超过24小时。

图 文 解 析

图1：MXene离子凝胶的结构组成与离子/电子输运特性。（A）由明胶、EMIM:DCA和Ti₃C₂T_x构成的离子凝胶在温度梯度下的结构示意图，以及离子凝胶各组分的化学结构。（B）MXene 含量为5 wt%的离子凝胶照片。（C）MXene离子凝胶薄膜的SEM图像。（D）不同MXene含量离子凝胶的Nyquist图。（E）MXene离子凝胶中离子电导率（σᵢ）和电子电导率（σₑ）随MXene含量变化的关系。

图2：MXene含量对离子热电行为的影响。(A)-(E)不同MXene含量离子凝胶的温度梯度与开路电压V_oc变化曲线。（F）MXene离子凝胶的峰值开路电压V_ocp和稳态开路电压V_ocs随 MXene 含量变化的关系。

图3：MXene离子凝胶在温差循环过程中的五阶段热电压演化行为及其离子-电子耦合输运机制示意图。（A）热循环五个阶段中开路电压（V_oc）、离子热电压（V_ion）和电子电压（V_e）的示意图（左），以及对应的等效电路（右）。（B）阶段 I、（C）阶段 II、（D）阶段 III、（E）阶段 IV 和（F）阶段 V 中离子与电子输运行为，以及V_oc、V_ion和V_e的变化曲线。

图4：混合离子-电子热电发电机（MTEG）的热电性能。（A）混合离子-电子热电发电机（MTEG）的结构示意图。（B）连接5 kΩ负载时MTEG的输出电压变化曲线，以及（C）连接不同外部电阻时的输出电压变化曲线。（D）不同负载下MTEG和ITEC输出功率（P_av）的变化。（E）MTEG 中离子凝胶不同MXene含量下最佳外部电阻（R_ex）和最佳平均输出功率（P_av）的变化关系。（F）MXene 离子凝胶热导率（λ）以及MTEG的P_av/λ随MXene含量变化的关系。

图5：MTEG的热电性能。（A）稳态输出电压（V_ops）随外部电阻（R_ex）变化的关系。（B）稳态输出电压（V_ops）和稳态输出功率（P_s）随电流（I_os）变化的关系。（C）MXene含量为5 wt%的MTEG与对照ITEC在24 h内的输出电压（V_op）变化曲线。（D）MTEG在五次重复热循环过程中的输出电压（V_op）变化曲线。

研 究 小 结

本工作通过将MXene引入EMIM:DCA/明胶离子凝胶体系，成功构建了一种兼具离子与电子输运能力的混合离子-电子热电发电机（MTEG）。MXene纳米片在离子凝胶内部形成受限电子传输路径，并与离子热扩散过程协同作用，从而有效调控体系中的离子-电子耦合输运行为。在该协同机制下，MXene离子凝胶相比传统离子热电体系表现出更明显的电子输运特征、更优越的离子/电子传输平衡能力以及稳定的热电输出性能，能够在稳定温差条件下实现持续热能收集。MXene含量对体系中的电子、离子输运以及热电输出性能具有重要影响，当MXene含量接近渗流阈值时，体系能够获得最优热电性能。在MXene含量为5 wt%时，器件的热电势达到4.77 mV K^-1，并可在3 K稳态温差下持续稳定工作超过24小时，平均功率密度达到24.0W m^-3。同时，该体系在波动温差与稳态温差条件下均表现出良好的热电转换能力与循环稳定性。该工作为离子热电器件从“电容式间歇输出”向“持续稳定发电”发展提供了新的设计思路，其提出的离子-电子协同输运机制也进一步拓展了混合离子-电子热电材料在低品位废热持续收集、自供能电子器件以及柔性能源器件等领域中的应用潜力。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Mixed Ion-Electron Thermoelectric Generators With Ionogels Blended With MXene Continuously Harvesting Heat Under Both Steady and Fluctuated Temperature Gradients

文章研究方向：

离子热电

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70225

DOI: 10.1002/cey2.70225

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、原温州大学副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续两年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2024年影响因子为24.2，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前八，材料科学（多学科）领域460本期刊中，位列14。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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