凝胶热电偶电解质可穿戴电子设备，用于自供电人体健康监测

　　【摘要】
　　作为可持续热源的人体与环境温度之间始终存在10多度的温差。将体热转化为电能用于驱动个人医疗电子设备在智能可穿戴医疗领域具有重要意义。
　　为了避免传统热电材料的易碎性和复杂的制备过程， 太原理工大学 王涛教授 / 桑胜波教授 / 张虎林教授 合作团队共同 制造了一种 以 Fe3+/Fe2+ 作为氧化还原对的凝胶电解质基热电发电机，它不仅具有适中的热电性能，而且具有优异的柔韧性。 通过在凝胶中植入微孔分布的聚偏二氟乙烯隔膜，在两半之间形成热障，通过降低其热导率有效提高塞贝克系数。考虑到凝胶优越的温度响应，将其贴合在额头上，建立了自供电的体温监测系统。
　　同时，具有高比热容的凝胶贴片可以有效地为发烧患者降温。这项工作可能为通过清除低级体温来开发自供电可穿戴医疗电子产品提供新思路。相关论文以题为  Wearable Electronics Based on the Gel Thermogalvanic Electrolyte for Self-Powered Human Health Monitoring  发表在《 ACS Appl. Mater. Interfaces 》上。
　　【主图导读】
　　图 1. 热电偶工作原理。 （a）集成的基于凝胶的热电池。PVA 凝胶夹在两个柔性基板（聚酰亚胺，PI）之间，多孔 PVDF 隔膜插入到两个凝胶中，器件通过串联结构桥接。右上角插图是集成设备的照片（比例尺：10 毫米）。(b) 多孔 PVDF 隔膜的 SEM 照片。(c) 热势在包含铁离子、亚铁离子、氯离子、氢离子、水分子和聚乙烯醇分子结构的复杂系统中的部分贡献的示意图。(d) 单个热电凝胶的运行机理示意图和单个凝胶的物理照片（比例尺：10 mm）。
　　图 2. 独立 PVA 和 P@PVA 凝胶的热电偶性能。  (a) 单个电池在不同温差下的热电压响应。(b) 短路电流是温差的函数。插图：20 °C 温差下的电流响应。(c) 在大约 10 °C 的温差下，稳态电压和输出功率对电流的依赖性。(d) 热电偶凝胶在不同温度下的电导率。(e) 热电偶凝胶在室温 (20 °C) 下的热导率。(f) 热电偶凝胶薄膜的应力-应变曲线。测试在室内（20°C，相对湿度 50%）下以 5 mm min-1 的拉伸速率进行。插图：经过拉伸、扭曲和弯曲的 PVA 照片（比例尺：1 厘米）。
　　图 3. 集成器件在一定温差条件下的热电性能。 (a) 由不同数量的并联热电池组成的集成设备的输出电流和电压。(b) 25 个并联单元的电流和电压与温差的关系。图示为25节电池并联示意图。(c) 由不同数量的串联电池组成的集成设备的输出电流和电压。(d) 25 个串联组件的电流和电压与温差的关系。插图中显示了 25 个串联单元的示意图。(e) 集成贴片装置粘贴在手臂上时的电流输出。插图：手臂上可穿戴热电偶的照片。(f) 贴在不同身体部位时凝胶贴片的电流。
　　图 4. 可穿戴医疗电子产品的应用演示。 (a) 用于体温监测的凝胶基热电贴片的全景图。(b) 三个典型区域电流与体温的关系。(c) 体温监测和终端显示的相应温度信号。插图：扭曲和弯曲的凝胶贴片的照片（比例尺：1 厘米）。(d) 放大的电流响应曲线与时间。插图：0.1 K 温差下的电流-时间曲线。（e）凝胶附着在皮肤表面时的冷却效果。(f) 作为暴露天数的函数的电流 (20 °C, RH 50%)。插图：凝胶热电贴片和商用退烧贴片的脱水。
　　【总结】
　　该团队建立了一种以Fe3+/Fe2+作为氧化还原对的凝胶电解质热电偶发生器，它不仅具有适中的热电性能，而且具有出色的柔韧性。通过在凝胶中植入微孔广泛的 PVDF 隔膜，在两半之间形成了一个热障，通过降低其热导率有效地提高了塞贝克系数。 由于凝胶贴片具有优异的温度响应，因此通过将其贴合在额头上构建了自供电体温监测系统。同时，具有高比热容的凝胶贴片可以有效地为发烧患者降温。 这项工作为基于可穿戴或可植入电子设备的体热收集和智能医疗提供了一条新途径。
　　参考文献 ：
　　doi.org/10.1021/acsami.1c12443
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