《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Hierarchical carboxymethyl cellulose hydrogel with boosted output power density for low-grade heat energy harvesting
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针对热电材料功率密度制约实用化的难题，本研究开发羧甲基纤维素/植酸/聚苯胺/Fe3+（CPPF）分级水凝胶。纳米尺度连续网络促进氧化还原与离子扩散，实现n型-2.8 mV·K?1、p型3.79 mV·K?1热电势，单器件峰值功率密度达5.33 W·m?2，40对p-n腿模块成功点亮灯泡，兼具可调力学性能，为高性能水凝胶基热电材料设计提供新思路。
在工业生产和日常生活中，大量低品位热能（通常指温度低于100℃的余热）被白白浪费，如何高效捕获并利用这些分散的热能，一直是能源领域的痛点。传统无机热电材料虽性能稳定，但存在刚性大、成本高、加工难等问题，难以适应柔性电子和可穿戴设备的需求。近年来，水凝胶基热电材料因其柔性好、成本低、可溶液加工等优势崭露头角，但功率密度这一决定实际应用的关键指标始终难以突破，成为限制其走向实用的“卡脖子”难题。
为了解决这一问题，研究人员将目光投向了天然高分子与导电聚合物的复合体系，开发出一种新型分级结构羧甲基纤维素水凝胶（CPPF），相关研究发表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》。这种水凝胶由羧甲基纤维素（carboxymethyl cellulose）、植酸（phytic acid）、聚苯胺（polyaniline）和Fe3+通过一锅法制备而成，通过多尺度结构设计同时实现了优异的热电性能和力学性能。
在研究过程中，团队采用了多种关键技术方法：通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）表征材料的微观形貌与纳米结构；利用电化学工作站测试水凝胶的电化学性能，包括循环伏安法和恒电流充放电测试；采用稳态法测量材料的热电势（Seebeck coefficient）和电导率；通过万能试验机评估材料的力学性能，包括压缩和弯曲测试；构建p-n型热电模块并进行实际供电演示，验证其在低品位热能收集中的应用潜力。
纳米尺度连续网络结构的构建
通过一锅法合成，CPPF水凝胶在纳米尺度形成了由纳米颗粒和纳米纤维组成的连续网络结构，该结构通过多重共价和非共价相互作用（如氢键、配位键）稳定存在。聚苯胺在水凝胶基质中均匀分布，不仅促进了水凝胶体相内的氧化还原反应，还增强了离子扩散效率，赋予材料独特的电化学特性及优异的能量存储与释放能力。
热电性能的提升
得益于纳米尺度的连续网络和高效的离子传输，CPPF水凝胶实现了显著的热电性能提升。测试结果显示，n型热电势达到-2.8 mV·K?1，p型热电势达到3.79 mV·K?1。单水凝胶单元对外放电时，峰值能量密度分别为274.11 J·m?2（n型）和319.83 J·m?2（p型），峰值平均功率密度分别达到4.57 W·m?2（n型）和5.33 W·m?2（p型），均优于已报道的同类文献数据。
微尺度力学结构与可调性能
在微米尺度，CPPF水凝胶呈现出竹节状闭孔结构，这种结构赋予了材料可调的机械刚度。硬质变体最大压缩应力可达6.5 MPa，而软质变体则表现出可弯曲、可折叠的特性，且具有显著的弹性回复能力，解决了传统水凝胶力学强度与柔韧性难以兼顾的问题。
热电模块的构建与实际应用验证
基于制备的n型和p型水凝胶，研究人员构建了包含40对p-n腿的热电模块。该模块成功点亮了一个小型灯泡，直观证明了其在低品位热能收集中的实际应用潜力，为柔性热电设备的开发提供了可行方案。
这项研究通过多尺度结构设计，成功制备了兼具高功率密度和优异力学性能的分级水凝胶热电材料。其核心创新在于利用天然高分子羧甲基纤维素与导电聚合物聚苯胺的协同作用，在纳米尺度构建连续网络以促进离子传输和氧化还原反应，同时在微米尺度调控闭孔结构以实现力学性能的可调性。研究不仅突破了水凝胶基热电材料功率密度的瓶颈，还实现了从材料制备到器件集成的全链条验证，为低品位热能的高效利用提供了新材料和新思路。未来，这种分级结构水凝胶有望在可穿戴设备自供电、工业余热回收等领域发挥重要作用，推动柔性热电技术从实验室走向实际应用。
