半导体能量转换器件，如太阳能电池、芯片、LED灯等，在工作过程中超过80%消耗的能量会转换为热能，而这部分能量通常是直接排放到空气中而白白浪费。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，其面临的巨大问题是：当热电单元依附于发热元件之后，会增加器件散热热阻，从而造成发热元件自身温度升高，核心能量转换器件效率降低；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额外损失，热电单元的使用反而带来整体能量效率的降低。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。
Figure 1. Schematic of the structure and working principle of the smart thermogalvanic hydrogel.针对这一问题，武汉大学刘抗研究员、胡雪蛟教授团队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。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，提供了一种新型的半导体能量转换器件余热利用的思路。
Figure 2. Basic characterizations of the TG hydrogel.
(a) Photograph of the TG hydrogel. The scale bar is 7 mm. (b) Stress–strain curve of the hydrogel. The tests were carried out with a stretching rate of 20 mm min–1. Insets show the pictures of the TG hydrogel in its original and stretched state. The scale bar is 1 cm. (c) Thermogravimetric characterization of TG hydrogel. (d) Pictures of the sample before and after exposure to an environmental temperature of 25 °C and relative humidity of 70% for 10 h. The scale bar is 2 cm. (e) Mass variation of the TG hydrogel when being exposed in environment.
将该水凝胶薄膜贴覆于发热元件，一方面可直接将废热回收转化为电能，另一方面，水凝胶内部的水分会快速蒸发带走热量，降低器件温度。同时，当器件停止工作后，水凝胶薄膜会从周围的空气中吸收水分，自发实现往复利用。大功率电池在快速充放电过程产生的高温容易带来电池安全问题，将一片2 mm厚的热电水凝胶膜附着在手机电池上，它成功地将快速放电中电池温度降低20 oC，与此同时还可以回收一部分电能用于电池自身状态的自驱动监测或系统智能调控。
Figure 3. Thermoelectric property of the TG hydrogel.(a) Dependence of the output voltage on applied temperature differences. (b) Current–voltage curve and output power of the TG hydrogel under a temperature difference of 10 and 20 °C， respectively. (c) The output voltage and current of hydrogel vs time under the temperature difference of 10 °C shows good stability in atmospheric conditions. (d) Electrical conductivities， (e) thermal conductivities， and (f) power factors of the hydrogels at different temperatures.
该成果论文以Thermogalvanic Hydrogel for Synchronous Evaporative Cooling and Low-Grade Heat Energy Harvesting为题发表在知名学术期刊Nano Letters上，武汉大学动力与机械学院2017级博士生蒲诗睿为该文章第一作者，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。该工作上线之后即被Nanowerk， Newswise， Phys.org， Techtimes等十余家国际媒体专题报道，有望应用在手机等智能设备的散热上。
文章来源：先进材料快讯&武汉大学
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