综述：基于纤维素的柔性热电器件最新进展：材料、设计、工作原理及应用

柔性纤维素基热电材料通过整合导电聚合物、碳纳米材料和无机组分，实现了高热电性能与机械柔性的协同优化，为可穿戴自供能设备提供了可持续解决方案。本文系统综述了纤维素基热电材料的设计策略、制备方法及性能提升机制，重点分析了界面工程与多孔结构对热电转换效率的调控作用，同时讨论了材料选择、环境降解性及规模化制造等关键挑战。

王飞|李洪斌

教育部生物基材料科学技术重点实验室，东北林业大学，哈尔滨，150040，中国

摘要

可穿戴电子产品的快速发展凸显了柔性热电（TE）设备的重要性，因为它们能够高效地从人体热量或环境温度差中持续收集能量，且非常适合复杂的动态表面。在各种候选材料中，基于可再生生物质的纤维素材料因其出色的加工性、可持续性和环境兼容性而脱颖而出，成为柔性TE系统的理想支架。最近的研究表明，将纤维素基质与导电聚合物、碳纳米材料和无机TE组件结合，可以制备出同时具备高热电性能和机械柔性的复合材料。这些创新突显了纤维素材料在可持续能源转换和自供电可穿戴应用中的巨大潜力。本文综述了基于纤维素的热电材料和设备的最新进展，重点讨论了加工策略和性能提升机制。此外，还系统地分析了材料选择、热电传输优化、环境降解性和可扩展制造等方面存在的挑战。通过这一全面分析，本文旨在为开发下一代高性能、环保的热电材料提供深入见解和实用指导，以推动可持续能源收集技术的发展。

引言

随着柔性电子产品的快速发展（尤其是各种传感器和能量收集器），便携式和自供电设备在塑造下一代可穿戴智能系统的架构中发挥着关键作用（Xiao & Zhao, 2020）。热电（TE）设备因其紧凑性、静音运行和长期可靠性而成为为下一代可穿戴和自供电电子设备供电的理想选择（Iversen, 2021）。它们特别适合收集低等级的热能来源，如人体热量和环境温度变化（Cao et al., 2025b; Han et al., 2024a; Han et al., 2024b; Kanahashi et al., 2019; Sun et al., 2019）。重要的是，热电系统的实际性能在很大程度上取决于高效TE材料的开发和选择。必须同时优化塞贝克系数、电导率和热导率等关键参数，以最大化无量纲优值（Cao et al., 2025b; He et al., 2024a; He & Tritt, 2017; Liu et al., 2024; Sun et al., 2022; Wu et al., 2024; Zuo et al., 2025）。因此，探索新型材料（包括有机-无机复合材料（Abbey et al., 2024; Dong et al., 2023; Long et al., 2024）、纳米结构复合材料（Miao et al., 2024; Novak et al., 2020; Snyder & Toberer, 2008）和柔性聚合物）对于提高设备性能和实现与可穿戴平台的无缝集成至关重要（Garmroudi et al., 2025; Hsu et al., 2004; Mao et al., 2020; Pei et al., 2011a; Xu et al., 2025; Zhou et al., 2025）。合理设计和工程化TE材料不仅是科学挑战，也是实现高效、耐用和真正自主的能源收集系统的基础。

尽管传统的无机TE材料（如铋碲化物（Bi₂Te₃）和铅碲化物（PbTe）具有较高的优值（ZT）和稳定的转换效率，但它们的脆性、高成本和能源密集型的制造过程限制了其在可穿戴电子产品中的应用，而这些产品需要灵活性、轻量化和可持续性（Long et al., 2025; Moshtaghi et al., 2023; Xiong et al., 2024; Zhang et al., 2024c; Zheng et al., 2021）。相比之下，基于纤维素的热电材料成为柔性热电应用的特别有吸引力的替代品。与碳纳米管（CNTs）、二维过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）以及聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）基材料等非纤维素柔性TE材料相比，基于纤维素的材料提供了一个结合了结构多样性和内在功能优势的互补材料平台。它们优异的机械柔性和加工性使得可以构建多种结构，包括纸张、薄膜、织物和凝胶，非常适合用于柔性可穿戴设备（图1a）（Li et al., 2021a）。更重要的是，与大多数主要作为被动粘合剂的合成聚合物基质不同，基于纤维素的材料能够主动参与热电性能的调节。它们层次化的多孔结构有助于隔热，而丰富的羟基则能够与导电填料形成强界面相互作用。通过界面工程，基于纤维素的系统可以同时促进受控的电子或离子传输并抑制热传导。这些功能优势源于纤维素的分子和结构特性。纤维素由通过β-1,4-糖苷键连接的线性d-葡萄糖链组成，具有高度聚合性、部分结晶性和层次化的多孔结构。这种结构组织提供了机械强度和柔韧性，同时为化学修饰和界面键合提供了丰富的位点，从而协同调节柔性热电系统中的电荷或离子传输和热传递（Liu et al., 2023; Powell et al., 2025; Yoo et al., 2023; Zeier et al., 2016; Zhao et al., 2020a）。

近年来，基于纤维素的热电设备研究在多个学科中迅速扩展，自2018年以来发表的文章数量急剧增加（图1b, c）。现有的综述主要集中在传统热电材料上，往往忽视了纤维素在柔性热电设备中的独特作用（Huang et al., 2020; Jin et al., 2023; Wang et al., 2019）。对于纤维素材料如何促进柔性热电设备的设计、制造和优化的系统理解仍然有限。尽管基于纤维素的热电设备通常被分类为纸张基、织物基、薄膜基和气凝胶基系统，但大多数这些设备的工作原理相似。热电性能主要由沿纤维素路径的电荷或离子传输、纤维素与导电填料之间的界面相互作用以及纤维素多孔结构对热传输的调节决定。因此，不同设备之间的差异主要源于设计和制造策略的差异，而不是根本不同的热电机制。如果不考虑这些共同特征，就很难直接比较不同系统的性能或确定哪些因素主要限制了实际功率输出。因此，本文旨在提供关于柔性热电设备中纤维素材料的全面和最新的概述，涵盖材料设计原则、性能提升方法和智能应用（Han et al., 2020; Jaworski et al., 2012; Yang et al., 2024; Zhu et al., 2015）。通过分析最新进展并识别关键挑战，我们希望为未来开发可持续、高性能和灵活的基于纤维素的热电设备提供有价值的解决方案。

基于纤维素的热电设备设计

热电设备通过由温度梯度驱动的载流子传输将热能转换为电能。根据材料类型，载流子包括电子和空穴（无机材料，例如Bi₂Te₃、PbTe）（El Oualid et al., 2021; Pei et al., 2011a; Pei et al., 2012）、空穴（有机聚合物，例如PEDOT: PSS）（Biswas et al., 2012; Yan & Kanatzidis, 2022; Zhang et al., 2025b; Zhang et al., 2025c）以及离子（例如水凝胶、离子液体）（Chen et al., 2025d; Fu et al., 2024b; Maksymuk

基于纤维素的柔性热电材料的制备

由于纤维素材料具有内在的纳米到微米级多孔结构，因此在开发柔性热电系统方面具有巨大潜力。这些相互连接的网络有助于高效地传输电荷或离子，同时通过增强声子散射来抑制热传导，从而提高整体热电性能。需要注意的是，纤维素在柔性热电系统中并不仅扮演单一角色。

基于纤维素的柔性热电设备的应用

基于上述制造策略和性能优化方法，基于纤维素的热电材料已逐步集成到多种设备结构中。具有内在特性的纤维素材料特别适合开发可穿戴和可变形的热电设备（Chen et al., 2021; Pan et al., 2022）。此外，它们能够形成强界面相互作用（例如氢键、静电相互作用）

结论与展望

基于纤维素的柔性热电材料作为一种将可持续资源与高性能能源转换技术相结合的有前景的策略，在材料设计、性能优化以及柔性设备的集成方面取得了实质性进展。由于其丰富的可用性和优异的性能，纤维素材料为下一代柔性热电设备的发展提供了独特的平台

CRediT作者贡献声明

王飞：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据管理。李洪斌：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，概念化。

未引用的参考文献

Cao et al., 2025a

Han, Zhang., Hu. and Xu., 2022

He et al., 2024c

Li et al., 2021c

Pei et al., 2011b

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了黑龙江省自然科学基金（YQ2024B013）的支持。