熱電材料可以用來直接將熱能轉(zhuǎn)換成電能。因此它們對人類的可持續(xù)發(fā)展有很重要的意義。高效的熱電材料應(yīng)該有高的熱電壓，高的電導(dǎo)率和低的熱導(dǎo)率。傳統(tǒng)上的熱電材料是電子或是空穴作為載流子的電子材料。近年來，離子熱電材料（例如聚合物電解質(zhì)和離子液體）由于具有比電子熱電材料高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的熱電壓而受到廣泛關(guān)注。但是，離子熱電材料的電導(dǎo)率卻遠(yuǎn)低于后者，因而其實(shí)際應(yīng)用受到極大的限制。離子熱電材料的熱轉(zhuǎn)換效率取決于離子熱電轉(zhuǎn)換優(yōu)值（ZTi）。最近，新加坡國立大學(xué)歐陽建勇教授課題組開發(fā)了一種由離子液體和二氧化硅（SiO2）納米顆粒構(gòu)成的類固態(tài)離子凝膠。該離子凝膠兼具有高的離子塞貝克系數(shù)（14.8 mV/K）,優(yōu)良的離子電導(dǎo)率（4.75×10-2?S /cm），和高功率因子（1040.4 μW/m/K2）。同時(shí)，得益于該離子凝膠較低的熱導(dǎo)率（0.21 W/m/K)），其室溫離子ZTi高達(dá)1.47。該ZTi幾乎是文獻(xiàn)報(bào)道離子熱電最高優(yōu)值的兩倍，是目前最高的離子ZTi。
本文研究了三種離子液體和不同尺寸SiO2納米顆粒組成的復(fù)合體系，其構(gòu)成的離子凝膠都具有典型的凝膠流體性質(zhì)。其凝膠行為源于SiO2納米顆粒形成的固體網(wǎng)絡(luò)和離子液體相的相互作用。以離子液體EMIM-DCA為例，離子液體中C≡N鍵由于具有較高的極性而傾向于與SiO2表面的羥基相互作用，因而易于形成穩(wěn)定的類固態(tài)凝膠結(jié)構(gòu)。
研究表明，少量的SiO2納米顆粒可以顯著提高離子凝膠的離子電導(dǎo)率，在含量為20%時(shí)，其最優(yōu)離子電導(dǎo)率可達(dá)4.75×10-2 S/cm。這是由于SiO2納米顆粒表面的路易斯酸基團(tuán)與離子液體的離子之間的相互作用而導(dǎo)致。這種相互作用在一方面有助于離子液體的正離子和負(fù)離子解離；另一方面促進(jìn)形成更多的自由空位，從而建立高速離子遷移通道。因此，離子凝膠的離子的遷移率得到有效增強(qiáng)。然而，過量的納米粒子容易團(tuán)聚而阻礙離子傳輸路徑，因此進(jìn)一步添加SiO2會(huì)降低離子電導(dǎo)率。
溫度梯度下的離子擴(kuò)散涉及系統(tǒng)的焓和熵的變化，離子液體的高離子塞貝克系數(shù)可以通過熱力學(xué)來理解。由于熱電壓與正離子和負(fù)離子的熱泳遷移率之差成正比，升高溫度會(huì)增加正負(fù)離子的遷移率差，進(jìn)而增強(qiáng)熱電壓。與電子型熱電材料相比，離子液體/SiO2離子凝膠具有更好的熱電性能。EMIM-DCA/（20％SiO2）離子凝膠的離子功率因子為1040μW/m/K2，遠(yuǎn)高于其他離子導(dǎo)體。同時(shí)，離子凝膠室溫ZTi高達(dá)1.47，大約是文獻(xiàn)報(bào)道離子熱電材料最高優(yōu)值的兩倍。它們也證明了這些離子性熱電材料在熱電轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。這些離子型熱電材料用于構(gòu)建為離子熱電超級(jí)電容器（ITESC），可以將熱量轉(zhuǎn)化為電能。
本文首次報(bào)道了離子液體和SiO2納米顆粒制成的類固態(tài)離子凝膠具有優(yōu)異的離子熱電性能。同時(shí)，離子凝膠可用于構(gòu)建ITESC進(jìn)行有效熱電轉(zhuǎn)換和利用。此項(xiàng)工作為新型離子熱電材料的探索以及離子熱電轉(zhuǎn)換提供了新思路。歐陽建勇教授是該工作的通訊作者，何旭博士是第一作者，程漢霖博士是該工作的共同通訊作者。
參考文獻(xiàn)：
Xu He, Hanlin Cheng, Shizhong Yue, Jianyong Ouyang. Quasi-Solid State Nanoparticle/(Ionic Liquid) Gels with Significantly High Ionic Thermoelectric Properties. Journal of Materials Chemistry A, 2020, https://doi.org/10.1039/D0TA04100A.
