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數(shù)量級的熱電壓而受到廣泛關(guān)注。但是，離子熱電材料的電導(dǎo)率卻遠低于后者，因而其實際應(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，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1.47。該ZTi幾乎是文獻報道離子熱電最高優(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，其最優(yōu)離子電導(dǎo)率可達4.75×10-2 S/cm。這是由于SiO2納米顆粒表面的路易斯酸基團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。然而，過量的納米粒子容易團聚而阻礙離子傳輸路徑，因此進一步添加SiO2會降低離子電導(dǎo)率。
溫度梯度下的離子擴散涉及系統(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，升高溫度會增加正負(fù)離子的遷移率差，進而增強熱電壓。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，遠高于其他離子導(dǎo)體。同時，離子凝膠室溫ZTi高達1.47，大約是文獻報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)建為離子熱電超級電容器（ITESC），可以將熱量轉(zhuǎn)化為電能。
本文首次報道了離子液體和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，離子凝膠可用于構(gòu)建ITESC進行有效熱電轉(zhuǎn)換和利用。此項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：
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.
