随着物联网、柔性电子与可穿戴健康监测技术的快速发展，传统无机热电材料因刚性、脆性及难以与人体组织贴合等问题，应用受到明显限制。热电水凝胶作为一类兼具高柔性、组织相似力学性能、可调离子电导率和良好生物相容性的三维网络材料，能够在温度梯度下通过电子或离子载流子输运产生可测热电压，为低品位废热回收、自供电传感和人机交互提供了全新路径。然而，其复合结构也带来了电子/离子热电转换、网络结构与性能关系、长期稳定性及封装集成等方面的设计挑战。

  鉴于此，太原理工大学集成电路学院张虎林教授团队联合山西师范大学、巴基斯坦苏库尔IBA大学等，在国际期刊《Applied Physics Reviews》上发表了以“Thermoelectric hydrogels: Strategies for controlled fabrication and performance tuning”为题的综述文章（图1），系统梳理了热电水凝胶的基本工作机理、关键性能参数、可控制备策略、性能优化方法、集成封装技术及前沿应用，并对其未来挑战与发展方向进行了展望。太原理工大学宿冉、文粟轶为共同第一作者，曹胜利、崔晓静、张虎林为通讯作者。

图1. 水凝胶基热电材料概述：热电原理示意图、聚合物材料、结构及应用

本文亮点

  1.系统阐述了热电水凝胶的三大核心工作机理——基于电子/空穴输运的Seebeck效应、基于氧化还原反应的热原电池效应以及基于离子热迁移的热扩散效应，并深入分析了其内在的热-电耦合原理。

  2.全面总结了热电水凝胶的可控制备策略，涵盖天然与合成聚合物网络设计、物理/化学/混合交联方法，以及导电填料、氧化还原对和电解质离子的功能组分引入策略。

  3.系统梳理了电子型、离子型和混合型热电水凝胶的性能优化方法，重点讨论了Seebeck系数、电导率和热导率之间的内在权衡关系及其解耦策略。

  4.综述了热电水凝胶在能量收集、电子皮肤与人机交互、生物医学监测三大领域的代表性应用进展，并对集成封装技术和未来发展方向进行了展望。

1.热电水凝胶的工作原理

  热电水凝胶的能量转换行为源于其网络内部复杂的微观物理化学过程。图2展示了三种核心热电转换机制的示意图。

  Seebeck效应是热电转换的基础机制，以p型半导体为例，空穴从高温端向低温端扩散，在冷端积累正电荷，产生从高温端指向低温端的电动势。热原电池效应通过电极与氧化还原对之间的温度依赖性熵变实现发电。热扩散效应源于离子在温度梯度下的不对称迁移。值得注意的是，在实际体系中，热扩散效应与热原电池效应常协同工作，产生叠加的热电压输出，为开发高输出、高稳定性的柔性热电器件开辟了新途径。

图2. 热电机制图

2.可控制备策略

  聚合物网络是水凝胶的基本骨架，决定了其三维结构和力学性能。图3展示了多种水凝胶制备策略。

  在交联策略方面，物理交联（离子配位、氢键、结晶）提供可逆性和生物相容性；化学交联通过交联剂形成共价键，赋予结构稳定性和抗溶胀性；物理-化学混合交联则整合两者优势，如双网络结构可实现高强度和韧性的协同提升。

  在功能组分引入方面，电子型热电水凝胶通过引入PEDOT:PSS、碳纳米管、石墨烯等导电填料构建电子传输通道；离子型体系则通过氧化还原对（Fe(CN)₆^3-/4-、I^-/I₃^-等）或高浓度电解质离子实现离子热电转换，如图4所示。

图3. 聚合物网络可控制备策略

图4. 导电功能填料的引入

3.性能优化策略

  热电水凝胶的性能优化核心在于解耦热电参数之间的相互制约，同时保持优异的力学性能。

  在电子型体系优化方面，通过冷冻铸造、拉伸取向或磁场辅助排列构建高效导电渗流网络，降低渗流阈值；利用DMSO或硫酸二次掺杂调控PEDOT:PSS分子构象和载流子浓度；引入界面势垒实现能量过滤效应，在保持电导率的同时提升Seebeck系数。

  在离子型体系优化方面，利用固定电荷聚合物骨架阻碍共离子迁移、仅允许反离子扩散，增强离子选择性；选择高氧化还原熵变的氧化还原对并进行配体修饰或溶剂工程优化；通过调控电解质浓度和pH值调节离子迁移与热扩散行为。如图5所示。

  在混合型体系优化方面，离子-电子耦合效应可实现高热电势；互穿聚合物网络结构确保连续电子传导并增强整体电导率；界面结构设计作为选择性离子屏障和电荷分离界面，提升热电转换效率并抑制电子-离子复合。如图6所示。

图5. 离子热电材料性能提升策略

图6. 混合热电材料性能提升策略

4.集成封装与应用

  如图7展示了热电水凝胶从实验室走向实际应用的集成封装策略。研究人员通常将n型/p型热电单元串联集成实现高功率输出。同时，PDMS、Ecoflex等低水汽透过率弹性体常被用于涂层封装，原子层沉积技术可制备纳米阻隔层，高沸点有机溶剂可解决蒸发和冻结问题。

图7. 热电水凝胶的集成与封装策略

  在应用方面，如图8和图9所示，热电水凝胶已在三大领域展现出广阔前景：能量收集方面，水凝胶纤维可编织为热电腕带，将体热直接转化为电能；电子皮肤方面，可实现温度、应变、压力等多模态自供电感知，结合深度学习实现手势识别和材料纹理识别；生物医学监测方面，可用于体温、脉搏、汗液、乳酸等生理信号监测，并作为智能伤口敷料加速组织修复。

图8. 热电水凝胶的应用

图9. 热电水凝胶的应用

  该综述以“Thermoelectric hydrogels: Strategies for controlled fabrication and performance tuning”为题发表于《Applied Physics Reviews》13, 031313 (2026)。本研究获国家自然科学基金（52475600）、山西省科技合作与交流专项项目（202304041101021）以及中国山西省奖学金委员会资助的研究项目（项目编号：2023-105）支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1063/5.0340468