清华课题组在离子热电基础理论及功能应用研究中取得新进展 ...

集群智慧张老师

近日，清华大学航天航空学院张兴、马维刚课题组在离子热电领域研究取得新进展。在基础理论方面，研究团队界定了离子系统中存在的三种基本热电效应，通过观测帕尔贴效应证明了离子热电系统存在热-电直接相互转换，并验证了经典热电开尔文关系在离子系统中同样成立，初步建立了离子热电效应的热电学理论框架。在功能应用方面，提出利用湿度梯度与温度梯度协同驱动离子输运的新机制，构建了兼具高能量输出与多场感知能力的新型热电器件，为离子热电在可穿戴设备与智能感知中的应用提供了新思路。
热电效应描述了热能与电能之间的直接相互转换，在能量转换与温度传感等领域具有重要应用价值。传统研究主要聚焦于以电子为载流子的半导体和金属体系，而近年来，以离子迁移为主导的离子热电材料因其高热电响应、优异柔性和良好生物相容性，在柔性电子、自供能传感等新兴方向展现出极大潜力。
当前离子热电领域的研究主要集中于新材料开发，其热电学框架尚未被充分考虑。针对该问题，研究团队从热电学基本定义出发，重新梳理并界定了离子体系中的塞贝克、帕尔贴和汤姆逊效应。通过构建离子热电异质结并在惰性电极条件下施加电流，在实验上直接观测到界面处显著且可逆的帕尔贴吸热与放热行为，证实了离子体系中不仅存在热-电转换，还存在电-热转换过程。进一步，提出一种无需直接测量热流、仅基于热电电动势的热电系数测量方法，通过多组独立实验，验证了离子体系中三种热电系数在误差范围内满足经典热电开尔文关系。这一成果初步建立了离子热电效应的热电学理论框架，为离子热电提供了更清晰的物理图像，并为离子热电材料理性设计及新型器件开发拓展了新思路。
在功能应用方面，多数离子热电器件依赖高湿度环境，较少探讨湿度梯度对其性能的影响。同时，经典离子热电器件输出能量密度低且持续供电能力不足，难以满足实际应用需求。如何突破这些性能瓶颈并实现多物理场协同感知，成为该领域面临的核心挑战。
为解决上述问题，研究团队提出湿气扩散、热传导与离子迁移三者耦合的新机制，通过在柔性PEDOT:PSS/PVA基体中掺杂CsCl盐制备出自支撑薄膜，并借助封装与电极设计构建稳定可控的内部湿度梯度。研究发现，相比均匀湿度环境，湿度梯度显著增强净离子流，大幅提升电势响应；微观机制研究表明，湿–热协同输运诱导出明显的离子浓度梯度，水分子网络不仅形成高效传输通道，还通过差异化离子水合作用实现了离子选择性输运。团队进一步将器件成功应用于高灵敏呼吸监测与仿生机械手的多模态感知，为离子热电器件开发和实用化提供了新的技术思路。
6 T# Z) Z2 j" K% m9 J; Q相关研究成果分别以题为“热电学框架内的离子热电效应”（Ionic thermoelectric effect within the framework of thermoelectricity）和“湿度梯度协同增强的离子热电”（
Moisture-gradient-enhanced ionic thermoelectrics）的论文于近期发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）和《自然·通讯》（Nature Communications）上。
清华大学航院2023级博士生吴翊丹和2021级博士生赵春雨分别为论文的第一作者，清华大学航院马维刚教授为论文通讯作者，合作者包括清华大学航院张兴教授和航院博士毕业生宋东兴（现为郑州大学教授）。相关研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等的资助。
论文链接：
7 f1 Q) Z( \4 j, q) j) rhttps://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/bh7m-fzs8
6 X* ?( d" O1 a) Rhttps://www.nature.com/articles/s41467-025-66027-w