太阳能电池、芯片、LED灯等半导体能量转换器件在工作过程中，会将大部分输入能量转换为热能，这部分能量通常直接排放到空气中而造成不小的能量浪费。若能有效地对这部分热能加以回收利用可大大提高半导体器件能量转换效率。现有的回收利用手段主要依赖于半导体热电器件，但当热电单元依附于发热元件之后反而会增加器件散热热阻，使发热元件的自身温度变得更高，并降低器件的能量转换效率；虽然热电单元能够回收一部分电能，但其回收的能量远远低于核心能量转换器件效率降低所带来的损失，因而热电单元的使用反而使得器件的整体能量效率降低。因此在考虑这些半导体电子设备的余热回收时，必须同时兼具高效散热，才有可能实现效率提升。

  针对这一问题，武汉大学刘抗研究员、胡雪蛟教授联合加州大学洛杉矶分校陈俊教授设计开发了一种智能热电水凝胶。水凝胶内部离子的氧化还原反应和水分的蒸发/吸收过程形成两个独立的热力学循环，从而可在热电转换的同时实现高效发汗冷却，如图1所示。该思路避免了传统半导体热电器件在余热回收过程中无法有效散热的问题，提供了一种新的电子设备废热利用思路。

图1. 水凝胶的结构和工作原理

  如图2所示，该水凝胶呈黄色半透明状，具有良好的机械性能和较高的含水量。同时该水凝胶具有很好的环境稳定性。它在环境条件下可以长时间的保持自身形态和含水量，克服了传统水凝胶在环境条件下会持续脱水变干的问题，如图2。

图2. 水凝胶的表征和性质

  同时，该水凝胶具有良好的热电转换特性，如图3所示。其Seebeck系数为1.2 mV/K，有效导电系数在100 mS/cm左右，导热系数在0.30-0.39 W/(m.K)范围内。发电功率因子为6.5-12 mW/(mK²)。根据热化学电池自身的性质，水凝胶的热电转换特性仍有很大的提升空间。在不同温度下，热电水凝胶的输出也能保持稳定。

图3. 水凝胶的热电性能

  该水凝胶的另外一个重要特性是水凝胶内氧化还原反应在发生的同时内部的水分可以自由的进出水凝胶。如图4所示，当温度升高时，该水凝胶会快速蒸发失去一部分水量；但当温度下降的时候，水凝胶又会吸收周围环境中的水蒸气使自己回复到初始状态。这一水分的蒸发/吸收的自发热力学循环，使得该水凝胶薄膜具有很强被动散热能力，能够在废热回收利用的同时能有效的散热，保持设备的低温工作。并且所有这些功能的实现全部集成于一片水凝胶薄膜，能够被动式运行。

图4. 不同温度下水凝胶内部水分循环过程

  大功率电池在日常生活中应用十分广泛，但其在快速充放电过程产生的大量热量容易带来安全问题。将一片2 mm厚的热电水凝胶薄膜附着在电池的一面，它成功地将快速放电中的电池温度降低20 oC，与此同时还可以回收一部分电能，这部分电能可用于电池自身状态的自驱动监测或系统智能调控，如图5所示。这些性能展示了该水凝胶在解决电子器件设备的高热和低品位热能浪费方面的巨大潜力。

图5. 水凝胶在手机电池上的热能回收及散热应用

  以上相关研究成果于Nano Letters发表。论文题目：Thermogalvanic Hydrogel for Synchronous Evaporative Cooling and Low-Grade Heat Energy Harvesting。论文第一作者为武汉大学2017级博士生蒲诗睿，武汉大学为论文第一署名单位，该研究得到国家自然科学基金的支持。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00800