美国化学学会的《纳米通讯》（ Nano Letters）杂志今天发表的一篇研究论文指出，科学家们开发了一种新型水凝胶，既可以冷却手机电池等电子设备，又可以将其废热转化为电能。该论文研究团队绝大多数为中国学者，为由武汉大学动力与机械学院教育部重点实验室和美国加州大学洛杉矶分校生物工程系的研究人员组成。如下图所示的2公分大小的水凝胶，既可以冷却电子设备又可以将其废热转化为电能。

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。

水凝胶由注入水和特定离子的聚丙烯酰胺骨架组成。当加热水凝胶时，其中两个离子，铁氰化物和亚铁氰化物，在电极之间转移电子从而发电。同时，水凝胶中的水蒸发将其冷却。

使用后，水凝胶通过吸收周围空气中的水使其自身再生。为了演示这种新材料，研究人员在快速放电期间将其连接到了手机电池上。一些废热被转换为5μW的电能，电池的温度降低了68F。降低的工作温度确保了电池的安全运行，并且收集到的电能足以监视电池或控制冷却系统。

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。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。

实际应用

许多电子设备在长时间使用后出现温度过高，如果无法及时散热，可能会减慢设备的运行速度、损坏它们的组件，甚至导致电池爆炸或着火。这是由于一些电子设备的零部件，包括电池、发光二极管和计算机微处理器，在正常运行过程中都会产生大量热量。如果不能及时散热，会导致热量积聚和局部过热，从而降低设备的运行效率，并对设备准确度、灵敏度以及使用寿命造成极大影响。

目前为了实现高效散热，通常是增加辅助设备，如散热风扇或散热泵，这也意味着能耗的增加。武汉大学刘抗研究员、胡雪蛟教授联合加州大学洛杉矶分校陈俊教授尝试设计一种智能水凝胶，以将设备废热转化为电能，同时实现设备的快速散热。该水凝胶薄膜具有两个重要的热学性质，一是在环境条件下可以很好的保持自身水量，克服了传统水凝胶在环境条件下使用会持续失水变干的问题；二是当温度升高时，该水凝胶薄膜会蒸发失去一部分水量，但当温度降下来的时候，水凝胶薄膜又会从空气中吸收水蒸气使自己回复到初始状态。

来源：武汉大学，量子认知