【摘要】

作為可持續熱源的人體與環境溫度之間始終存在10多度的溫差。將體熱轉化為電能用於驅動個人醫療電子裝置在智慧可穿戴醫療領域具有重要意義。

為了避免傳統熱電材料的易碎性和複雜的製備過程，太原理工大學王濤教授/桑勝波教授/張虎林教授合作團隊共同製造了一種以 Fe3+/Fe2+ 作為氧化還原對的凝膠電解質基熱電發電機，它不僅具有適中的熱電效能，而且具有優異的柔韌性。透過在凝膠中植入微孔分佈的聚偏二氟乙烯隔膜，在兩半之間形成熱障，透過降低其熱導率有效提高塞貝克係數。考慮到凝膠優越的溫度響應，將其貼合在額頭上，建立了自供電的體溫監測系統。

同時，具有高比熱容的凝膠貼片可以有效地為發燒患者降溫。這項工作可能為透過清除低階體溫來開發自供電可穿戴醫療電子產品提供新思路。相關論文以題為Wearable Electronics Based on the Gel Thermogalvanic Electrolyte for Self-Powered Human Health Monitoring發表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

【主圖導讀】

圖 1. 熱電偶工作原理。（a）整合的基於凝膠的熱電池。PVA 凝膠夾在兩個柔性基板（聚醯亞胺，PI）之間，多孔 PVDF 隔膜插入到兩個凝膠中，器件透過串聯結構橋接。右上角插圖是整合裝置的照片（比例尺：10 毫米）。(b) 多孔 PVDF 隔膜的 SEM 照片。(c) 熱勢在包含鐵離子、亞鐵離子、氯離子、氫離子、水分子和聚乙烯醇分子結構的複雜系統中的部分貢獻的示意圖。(d) 單個熱電凝膠的執行機理示意圖和單個凝膠的物理照片（比例尺：10 mm）。

圖 2. 獨立 PVA 和 P@PVA 凝膠的熱電偶效能。 (a) 單個電池在不同溫差下的熱電壓響應。(b) 短路電流是溫差的函式。插圖：20 °C 溫差下的電流響應。(c) 在大約 10 °C 的溫差下，穩態電壓和輸出功率對電流的依賴性。(d) 熱電偶凝膠在不同溫度下的電導率。(e) 熱電偶凝膠在室溫 (20 °C) 下的熱導率。(f) 熱電偶凝膠薄膜的應力-應變曲線。測試在室內（20°C，相對溼度 50%）下以 5 mm min-1 的拉伸速率進行。插圖：經過拉伸、扭曲和彎曲的 PVA 照片（比例尺：1 釐米）。

圖 3. 整合器件在一定溫差條件下的熱電效能。(a) 由不同數量的並聯熱電池組成的整合裝置的輸出電流和電壓。(b) 25 個並聯單元的電流和電壓與溫差的關係。圖示為25節電池並聯示意圖。(c) 由不同數量的串聯電池組成的整合裝置的輸出電流和電壓。(d) 25 個串聯元件的電流和電壓與溫差的關係。插圖中顯示了 25 個串聯單元的示意圖。(e) 整合貼片裝置貼上在手臂上時的電流輸出。插圖：手臂上可穿戴熱電偶的照片。(f) 貼在不同身體部位時凝膠貼片的電流。

圖 4. 可穿戴醫療電子產品的應用演示。(a) 用於體溫監測的凝膠基熱電貼片的全景圖。(b) 三個典型區域電流與體溫的關係。(c) 體溫監測和終端顯示的相應溫度訊號。插圖：扭曲和彎曲的凝膠貼片的照片（比例尺：1 釐米）。(d) 放大的電流響應曲線與時間。插圖：0.1 K 溫差下的電流-時間曲線。（e）凝膠附著在面板表面時的冷卻效果。(f) 作為暴露天數的函式的電流 (20 °C, RH 50%)。插圖：凝膠熱電貼片和商用退燒貼片的脫水。

【總結】

該團隊建立了一種以Fe3+/Fe2+作為氧化還原對的凝膠電解質熱電偶發生器，它不僅具有適中的熱電效能，而且具有出色的柔韌性。透過在凝膠中植入微孔廣泛的 PVDF 隔膜，在兩半之間形成了一個熱障，透過降低其熱導率有效地提高了塞貝克係數。由於凝膠貼片具有優異的溫度響應，因此透過將其貼合在額頭上構建了自供電體溫監測系統。同時，具有高比熱容的凝膠貼片可以有效地為發燒患者降溫。這項工作為基於可穿戴或可植入電子裝置的體熱收集和智慧醫療提供了一條新途徑。

參考文獻：

doi.org/10.1021/acsami.1c12443

版權宣告：「水凝膠」旨在分享學習交流高分子聚合物膠體及科研等領域的研究進展和新聞。編輯水平有限，上述僅代表個人觀點，詳見原文。投稿，薦稿或合作請後臺聯絡編輯。感謝各位關注！