熱是人類生活與工業中的主要能源。但是，熱能的使用效率只有30%，大部分的熱會以廢熱的形式在環境中耗散，其中三分之二的廢熱的溫度低於200ºC。囙此，有效回收廢熱對可持續發展具有重要意義。熱電資料可以用於直接將熱能轉化為電能，是回收低品位熱能的唯一可行科技。高性能的熱電資料應具有高熱電壓和高電導率但是低熱導率。傳統的熱電資料包括電晶體、半金屬和本征導電聚合物等電子材料，它們具有高導電率，但是其塞貝克係數通常遠低於1 mV K-1。近年來，離子熱電資料（例如准固態離子凝膠和液體電解質）由於具有比電子熱電資料高2-3個數量級的熱電壓而備受關注。然而，離子熱電資料電導率通常遠低於電子熱電資料。
最近，新加坡國立大學歐陽建勇教授團隊通過控制固體網絡的結構來顯著提高離子凝膠的離子電導率，從而提高其整體熱電效能。PVDF-HFP可以形成固體網絡結構來固定離子液體比如EMIM:DCA來形成離子凝膠，PVDF-HFP/EMIM:DCA的凝膠通常從它們的丙酮溶液來製備。他們發現在PVDF-HFP和EMIM:DCA的丙酮溶液中添加PVDF-HFP的反溶劑，比如乙醇，可以明顯改變離子凝膠中的固體網絡的微觀結構，從而促進離子傳輸（圖1）。這個方法可以把離子凝膠的離子電導率從7.0 mS cm-1提升到17.6 mS cm-1，而且離子凝膠維持25.4 mV K-1的高離子塞貝克係數和0.190 W m-1 K-1的低熱導率（圖2）。囙此，離子凝膠的離子熱電優值（ZTi）可以高達1.8，是現時最高的離子熱電優值。
圖1.反溶劑添加工程化離子凝膠的固體網絡和微觀結構
圖2.a）EMIM:DCA和PVDF-HFP的化學結構；b）和c）加入各種有機溶劑到離子凝膠製備溶液得到的PVDF-HFP/EMIM:DCA離子凝膠的離子電導率（i），離子塞貝克係數（Si）和離子功率因數；d），e）和f）離子凝膠的離子電導率（i），離子塞貝克係數（Si）、離子功率因數，熱導率和離子熱電優值（ZTi）對離子凝膠製備溶液中乙醇負載的依賴性。
反溶劑對離子凝膠微觀結構的影響可以通過其對PVDF-HFP在溶液中構象的影響來理解（圖3）。在溶液中加入反溶劑會引起PVDF-HFP高分子鏈的收縮，從而影響固體網絡結構，這會减小離子凝膠中的顆粒尺寸。小的顆粒具有更大的介面和更多的在介面的缺陷。由於缺陷有助於離子的傳輸，囙此新增了離子電導率
此項工作為開發高效離子熱電資料以及離子熱電轉換提供了新思路。新加坡國立大學歐陽建勇教授是該工作的通訊作者，程漢霖博士和重慶大學李建波副教授是該工作的共同通訊作者，來自重慶大學的聯培博士生劉卓為第一作者。
圖3.反溶劑對溶液中聚合物鏈構象和離子凝膠中固體網絡的影響的示意圖a）聚合物鏈在丙酮中呈現螺旋構象；b）乾燥過程中，離子凝膠中形成大孔和亞微米孔兩種固體網絡。c）原始離子凝膠具有大顆粒結構。d）反溶劑的添加引起溶液中聚合物鏈收縮，從而阻礙大孔固體網絡的形成；e）固體網絡由小束或收縮的聚合物鏈形成；f）產生離子凝膠小顆粒機构。
參考文獻：
Liu，Z.，Cheng，H.，He，H.，Li，J.，Ouyang，J.，Significant Enhancement in the Thermoelectric Properties of Ionogels through the Solid Network Engineering.Adv. Funct.Mater.2021，2109772.https://doi.org/10.1002/adfm.202109772