《Carbon Neutrality》：Interpenetrating double-network thermoelectric hydrogels with enhanced mechanical stability, superior water retention, and high thermoelectric performance
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为解决热电水凝胶（TEH）“性能-机械-保水”难兼顾痛点，上海第二工业大学团队构建CMC/PAAm互穿双网络，引入Fe(CN)、K、Li多离子体系，实现Seebeck系数-4.67 mV K、功率密度30.86 mW m、14天保水85%的平衡突破，为可穿戴低品位热能采集提供可扩展方案。
把人体变成“充电宝”是科幻还是现实？当智能手环、电子皮肤、健康贴片越来越薄，它们仍逃不过“电池焦虑”——传统锂电硬、脆、怕汗，而新兴的低品位热能收集材料又常陷入“高效-柔韧-长寿命”的“不可能三角”。热电水凝胶（Thermoelectric Hydrogel, TEH）本被寄予厚望：它柔软、可拉伸、离子导电，能把体温与环境的微小温差直接转成电信号；但真实世界里的TEH往往“一用就干、一拉就断、一热就蔫”，保水、机械、热电三大性能此消彼长，成了可穿戴自供能路上最大的“拦路虎”。
为拆掉这道“路障”，上海第二工业大学能源与材料学院Liu等研究者设计了一种“多合一”策略：用天然高分子羧甲基纤维素（CMC-Na）与合成高分子聚丙烯酰胺（PAAm）编织出互穿双网络（interpenetrating double-network, IDN），再把“吸湿盐”LiCl、“快离子”KCl与氧化还原对K[Fe(CN)]/K[Fe(CN)]同时锁进网络，制备出Fe/K/Li-C/A TEH。论文2026年1月在线发表于《Carbon Neutrality》。
作者采用“一锅溶胶-凝胶-再溶胀”路线：先以5 M丙烯酰胺、3 wt% CMC、0.025 M MBAA交联剂、0.01 M APS引发剂80 °C成胶，干燥定型后，再浸入含0.4 M Fe(CN)、1 M KCl、0.2 M LiCl的复合盐溶液重新溶胀，得到系列TEH。关键表征手段包括：万能试验机拉伸、FTIR与原位拉曼追踪结构变化、恒温恒湿箱评价保水/再吸湿、自制温差平台测开路电压V与短路电流I、电化学工作站做CV与EIS、界面热阻分析仪测热导率κ，并辅以150 ps非平衡分子动力学（MD）模拟40 K梯度下1615原子体系的离子均方位移（MSD）与扩散系数。
研究结果按原文小标题依次归纳如下：
3.1 互穿双网络结构确立与机械性能
FTIR显示CMC的-COOH与PAAm的-CONH形成氢键，2042 cm出现Fe(CN)特征峰，证实盐对成功载入。纯PAAm最大应力146.7 kPa、断裂应变98%；引入CMC后，双网络C/A水凝胶应力提升至282.8 kPa，应变高达469.5%，为原体系的1.93倍与4.78倍。溶胀吸盐后，离子与羧基静电作用导致局部应力集中，Fe/K/Li-C/A TEH仍保持209.6 kPa、213.8%的优良韧性。
3.2 保水与再吸湿性能
在25 °C、30% RH下存放20天，Fe/K/Li-C/A TEH质量保留59.5%，而无Li对照仅14.9%；湿度升至65% RH，14天保水率提高到90%。失水6-8天后，无Li配方表面出现盐析并收缩，而LiCl体系全程无皱缩。将干胶放回65% RH环境，8天内可再吸湿至原始质量的90%，证明Li的强水合作用与双网络协同赋予“可逆储水”能力。
3.3 热电性能与电化学稳定性
在40 K温差下，单一Fe(CN)体系的Seebeck系数S为-3.71 mV K；依次引入K、Li后，S升至-4.01、-4.42 mV K；三者共存时，S达峰值-4.67 mV K，功率密度30.86 mW m，维度优值ZT最高0.557。CV显示随扫速增加，两氧化峰合并，表明体系由扩散控制转为反应控制；EIS奈奎斯特图证实升温使阻抗下降，离子迁移加快。热导率κ在303-338 K区间维持0.47-0.51 W m K，较低的热导与高的离子电导共同推高ZT。
3.4 热电增强机理
热端Fe(CN)失电子生成Fe(CN)，冷端逆反应，形成持续氧化还原循环；同时K、Li向冷端热扩散，Cl因尺寸大、迁移阻力高而滞后，造成阳离子在冷端富集，协同放大离子塞贝克效应。原位拉曼显示热端2095 cm峰（Fe(CN)）增强，2040 cm峰（Fe(CN)）减弱，直接验证氧化反应发生。MD模拟给出定量证据：含Fe(CN)体系中，Li、K的MSD斜率显著提高，扩散系数分别增至3.5×10与2.5×10 cm s，模拟Seebeck系数由0.24升至0.37 mV K，与实验趋势一致。
3.5 实际应用演示
单细胞在10 K温差下连续输出7天，电压仅衰减8.6%。将8个单元串联成矩阵，输出电压放大至-277 mV；把4单元贴片戴于前臂，利用皮肤-环境温差，实测峰值电压114 mV，足以直接驱动小型LCD或传感器，验证“体温发电”可行性。
结论与讨论
该研究首次在单一TEH内实现“高Seebeck-高功率-高机械-高保水”四重协同：IDN架构提供可拉伸骨架，LiCl赋予自保湿功能，Fe(CN)与K/Li协同优化离子热扩散与氧化还原动力学，使ZT创纪录地达到0.557，且14天性能几乎零衰减。相比以往工作，该材料不依赖有毒有机溶剂或昂贵纳米碳，工艺简便、成本低廉、可扩展性强，为可穿戴医疗、自供能传感、个人热管理等低碳场景提供了“贴肤即发电”的全新材料解决方案，也为下一代碳中和柔性能源器件的设计树立了“多性能平衡”新范式。
