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重庆大学将离子电流转为电子电流，让离子热电材料实现连续工作

离子热-电转换，是针对低品位热能回收利用的热门研究领域。离子热电材料，则是一种建立在 Soret 效应之上的、以离子为载流子来将热能转为电能的材料。

离子热电材料产生的离子电流，不能像电子/空穴电流那样通过导线输送到电子元件中进行利用。因此，当前的离子热电材料都是依靠电极界面的极化电流来实现热电转换。

但是，这种工作方式的能量密度和功率密度都较低，并且工作时需要温差和外电路交替切换，因此无法实现连续的工作。

针对这一领域内存在的问题，重庆大学孙宽教授团队在 Soret 效应的基础上引入漂移电流，直接将离子电流转为可以进入外电路的电子电流，让离子热电材料实现了连续工作。

图 | 孙宽（来源：孙宽）

与此同时，他们还从理论上推演了离子-电子复合热电材料的载流子迁移规律，得到了离子-电子复合热电材料的塞贝克系数表达式，最重要的是得到了离子-电子复合热电材料的设计原则。同时，相关材料所能达到的能量密度、功率密度和热电压等各项参数都很高。

课题组把这种具备 Soret 效应、能够结合漂移电场从而将离子电流转为电子电流的方式命名为“离子-电子热电协同效应”。其希望该效应能为离子-电子复合热电材料的设计提供指导，并能为离子热电材料的应用化提供新思路。

据介绍，本次工作聚焦于离子热电转换在低品位热能的回收利用。在地球上，低品位热能的规模和分布都非常广泛。在不久的将来，预计这项成果可以为可穿戴器件例如手表、健康监测器件、手机等随身电子元件以及物联网器件提供能量。

除了能源转换之外，还可以将温度、光照、力学性能和电信号实现相互转换，从而用于遥感、医疗、光学传感等领域。

据介绍，这项课题起源于该团队在离子热电领域工作的积累，他们发现离子热电材料在工作机制上存在一些问题：例如能量密度低、热-电转换过程不连续、输出功率密度低，这导致离子热电材料虽然有着毫伏每开尔文级别的高塞贝克系数，但却无法在日常生活生产上进行应用。

于是，课题组试图从根源上来解决上述问题。而他们思考的是：能否既发挥离子热电材料的高塞贝克系数，又借鉴电子热电材料的高输出功率？

所以，该团队先是对离子热电材料的基本工作理论进行深挖，然后借鉴他人的成功经验，从理论上推演了离子-电子复合热电材料中的载流子迁移物理模型。

此外，他们还做出如下推测：上述模型产生的能量密度，大于传统的离子热电材料。为验证上述推测，他们又对材料进行二次设计，期间历经离子-电子导体的设计和载流子选取等步骤，也经历了数次失败。

最终历时两年，课题组终于完成了离子-电子热电协同效应的理论论证和完善。

另据悉，这项研究的核心在于提出和推导了离子-电子热电协同效应。在所推导的载流子迁移物理模型形成之后，他们经常反问自己这个模型是否还存在说服力不足的地方。

为此，他们让全课题组的老师挨个讨论和解释，随后对模型做出进一步的修订。为了寻找一种既能传导离子又能传导电子、还能兼容电解质的材料，该团队下了不少功夫。

一次偶然的情况下，他们想到当时实验室正在用的生物质材料——碳化柚子皮，实验之后发现正好可以满足他们的使用场景。

在确定离子-电子导体之后，该团队的原本思路是将水凝胶注入多孔材料之中。但是，数次实验之后他们又发现水分在温差之下非常容易蒸发，这会导致离子失去溶剂、进而导致材料失效。

又一次偶然的情况下，孙宽的学生想起在做其他实验时发现 BMIM:Cl 这种离子液体非常吸水，并且在低湿度和高温下也能确保水分不丢失。

因此，他们又将载流子改成 BMIM:Cl 这种离子液体，实验之后确实发现水分蒸发得比较少。然而，一开始他们观察到的电压仅有几伏到十几毫伏。

就当他们以为实验又要失败时，又发生了一次偶然：在一次热电压的测试中，测试 2 个小时候之后，电压突然开始上升。

进行重复实验之后，他们发现这是由于之前的测试时间不够久，因此导致没有观察到电压的巨幅增长。

后来，他们结合理论推导和实验验证，在论文中对上述现象进行了解释。完成实验之后，大家不禁感叹有时实验的成功恰恰来源于偶然的机会。

但是，孙宽认为这更是他们坚持实验探索、不断积累经验、并能及时抓住各种实验现象，再加上学生强烈的求知欲望而产生的结果。

最终，相关论文以《离子-电子耦合使离子热电材料具有新的工作模式和高能量密度》（Ion–Electron Coupling Enables Ionic Thermoelectric Material with New Operation Mode and High Energy Density）为题发在 Nano-Micro Letters 上，该团队的硕士生何勇杰是第一作者，孙宽教授担任通讯作者 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nano-Micro Letters）

作为一名硕士生，就可以在顶刊发论文，当然值得点赞。但这并不是本次研究的结束，目前课题组正从实验和理论两个方面进行不断地完善，主要目的是将离子-电子复合热电材料的功率最大化。另外，只有进一步地保持水分，才能让材料工作时间变得更长，直至可以达到数月之久。

参考资料：

1.Ion–Electron Coupling Enables Ionic Thermoelectric Material with New Operation Mode and High Energy Density, Nano-Micro Letters, DOI: 10.1007/s40820-023-01077-7https://www.springer.com/journal/40820

让离子“赛跑”：中国科学家团队基于软物质材料实现可控离子传输

中国日报北京11月27日电近日，中国科学院理化技术研究所的闻利平研究员和中国科学院大学赵紫光副教授，联合清华大学徐志平教授以及首都医科大学刘慧荣教授开发了一种具有级联异质界面的双相凝胶离电器件，实现了从电子到多种离子信号的转换和传输。该工作得到了理化所江雷院士的悉心指导,相关研究成果发表在《Science科学》杂志上。

人工电子电路主要基于电子和空穴进行信号传输和运算，而自然界中生命体内的信息传递和能量转换则主要依赖于复杂的离子体系。以人体为例，生物系统通过协调多种离子，如钾、钠、钙和氯离子等，实现各种纷繁复杂的生理功能。形象地来说，各种离子就像一颗颗小球，在受到刺激信号（如电信号等）时，按需向目的地前进。

近年来，将离子和电子的电荷转移与信号转换结合的离电器件引起了广泛关注和研究。这些器件被誉为生物和非生物系统之间的桥梁，在神经电极、神经假体、智能可植入设备等领域发挥着重要作用。然而，现有的离电器件仍受限于信号载体的单一性，无法携带更多生物兼容的信息。究其原因，主要在于现有器件的构建大多基于传统的门控/非门控材料，无法同时对多种离子"小球"进行排序，从而限制了它们在匹配生物组织中的特征信号表达。例如，基于水凝胶的离电器件难以实现不同离子信号的差异性传输，从电子到多元离子信号的传输和处理仍然是一个巨大的挑战。

中国科学家的此项研究强调了门控机制在实现多元离子信号传输中的重要性。在电场的作用下，离子部分去水合和再水合的过程将交替而连续地进行。由于不对称化学结构和空间尺寸的影响，异质界面将扮演多重“门”的作用，迫使“小球”脱掉由水分子组成的“外套”，而它们脱掉“外套”的难易程度是不一样的。双相多界面结构引发的级联异质门控效应，将决定不同离子传输的能垒，使不同价态阳离子（X+和Xn+）之间的跨界面传输呈现巨大的差异。因此，在不同电压刺激下，HBG材料能够对离子传输能垒进行排序和控制，让“小球有序奔跑”，实现从电子到多元离子的分级传输。

这项研究制备了具有级联异质门控的离电材料，揭示了级联异质门控效应对离子传输的重要影响，实现了多元离子的分级传输和离子选择性的跨级传输，并展示了这一技术在离电信号转换和生物离子神经调节方面的潜在应用。这种级联异质门控设计有望在神经拟态信号传输方面发挥重要作用，为实现生物-非生物系统的多元复杂信号通讯提供新的思路和方法。

来源：中国日报网