深圳大学陈光明等综述：水泥基热电材料、器件与应用

研究背景

在全球能源危机和碳排放压力不断加剧的背景下，开发可持续能源转换与管理技术显得尤为重要。热电技术能够将热量直接转化为电能，实现废热回收与自供能，是绿色能源的重要组成部分。传统热电材料性能优异，但存在经济性、适配性等问题，限制了在大规模基础设施中的应用。水泥是世界上使用量最大的建筑材料，其在建筑与基础设施中分布广泛，具备良好的可塑性、耐久性和低成本优势。通过将热电材料引入水泥基体系，可以利用建筑表面温差或室内外温差实现能源收集，同时为结构健康监测提供新途径。本文系统回顾了水泥基热电材料的发展现状，从材料组成、性能调控、器件结构到应用场景进行了全方位总结，并对未来挑战与发展方向提出了展望。

Cement-based thermoelectric materials, devices and applications

Wanqiang Li, Chunyu Du*, Lirong Liang, Guangming Chen*

Nano-Micro Letters (2026)18: 29

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01866-2

本文亮点

1. 涵盖了水泥基热电材料的前沿进展。

2. 系统总结了水泥基热电器件的制备、性能和功能应用。

3. 充分讨论了水泥基热电材料、设备和应用的挑战和策略。

内容简介

水泥基热电材料兼具传统热电材料的能量收集功能与水泥建材的结构承载优势，是实现绿色建筑能源自给和智慧基础设施监测的潜力候选。与高性能半导体热电材料相比，水泥基热电材料具有低成本、可大规模制备、结构耐久性好等特点，并且在建筑、桥梁、道路等基础设施中有广泛的应用场景。近年来，随着对可持续能源和碳中和的关注不断提升，大量研究致力于优化水泥基热电材料的热电性能，包括通过引入碳基、金属基等多类型填料提升导电性和Seebeck系数，利用复合改性实现离子-电子协同传输，并通过界面处理改善结构完整性和性能稳定性。

深圳大学陈光明教授等人系统总结了当前水泥基热电材料在材料设计、器件结构与应用方面的最新进展，重点讨论了不同类型填料与水泥基体在结构、导电机制及热电性能之间的关系，阐述了水泥基热电器件在结构健康监测、能量收集、智慧建筑等领域的应用潜力。此外，文章还分析了当前面临的标准化测试、长期耐久性与环境安全等挑战，并展望了水泥基热电材料未来在低碳建造与能源自供一体化方向的发展机遇，以期推动该领域的持续创新与工程化应用。

图文导读

I 水泥基热电材料的基本属性

水泥是一种由硅酸盐熟料、石膏以及矿物掺合料构成的多相复合材料，在水化反应过程中生成以水化硅酸钙、氢氧化钙、钙矾石等为主的固相网络，并形成连通的孔隙结构。孔隙中通常充满富含离子的水溶液，使得水泥在湿态下具备一定的热电响应能力，其主要来源于Soret效应。然而，水泥本征的热电性能存在多方面局限——导电性差：水泥基体为绝缘性水化产物，电子传输路径极为有限，电子贡献几乎可以忽略；导热系数低：多组分与孔隙液体的导热不均匀，使稳定温差难以有效保持；Seebeck系数低：虽然湿态下离子迁移能产生较高的瞬时电压，但受内部缺陷、离子浓度和迁移速率影响大，稳定性不足。

图1. 热电效应与水泥本征热电性能示意图：(a) Seebeck效应示意图，(b) Peltier效应示意图，(c) 热电性能参数与载流子浓度的关联性，(d) Ca(OH)₂晶体结构示意图与(e) 正交托贝莫来石-11的晶体构型，(f) Ca(OH)₂的DFT能带结构与(g) 正交托贝莫来石-11的态密度分布，(h) 水泥水化结构模型及(i) 离子热电效应机制示意图。

II 填料对热电性能的影响

为了克服水泥本征热电性能不足的问题，研究者普遍采用引入功能性填料的方式，借助其优异的导电性或热电性能，为水泥体系提供额外的载流子并构建高效的传输通道。经过近十年的发展，这一方向已形成三大类主要策略——碳基填料、金属/金属氧化物填料和复合填料。

2.1 碳基填料

碳基材料，如碳纤维、石墨和碳纳米管，在水泥基热电材料中广泛应用。它们通过构建电子传输网络，显著增强了水泥的电导率。碳纤维最早用于水泥导电改性，纤维状结构能够在基体内形成贯通的导电骨架，显著降低电阻率，从而提升电子输运效率。石墨独特的层状结构仍能提供有效的电子传输路径。碳纳米管在水泥基体中表现出非常高的导电性，并且可以通过改性提升性能。

图2. 碳基填料改善CTEMs热电性能的机制：(a) 碳纤维含量对水泥电导率和Seebeck系数的影响，(b) 水泥电阻率与碳纤维含量关系的变化(隧道效应、渗滤阈值和接触传导)，(c) 硼掺杂对碳纤维-CTEMs功率因子的影响及机制，(d) 石墨化程度对水泥基热电材料电导率和Seebeck系数影响，(e) 打印的3D石墨烯晶格和分级多孔形态的光学图像，(f) 用于电子迁移的连续石墨烯网络，(g) 还原氧化石墨烯-水泥基热电材料中混合离子-电子热电效应的三个阶段，(h) 水泥水化过程中“体积排除效应”的载流机制，(i) 不同加工方法的碳纳米管结构，(j) 硼掺杂后碳纳米管的结构。

2.2 金属与金属氧化物填料

金属填料(如钢纤维)：适量的金属填料可以提升热电性能，但其增加也可能引起p-n结效应，影响载流子的迁移。

金属氧化物(如ZnO、CuO、MnO₂)：纳米级金属氧化物的引入，不仅增加了电导率，还通过散射低能电子，降低热导率，从而提高热电性能。例如，纳米ZnO在5wt%含量时，Seebeck系数可达到3300 μV K⁻1。

2.3 复合填料

碳基材料与碳基材料的复合填料利用了不同碳材料之间的协同效应，显著提升了水泥基热电材料的性能。适当调节填料的类型和含量，不仅能优化导电性，还能在不显著增加热导率的情况下，提升热电性能。

碳基材料与金属氧化物复合填料在水泥基体中得到了广泛应用。碳基材料本身具有较高的电子导电性，而金属氧化物则能提供较高的Seebeck系数。通过将两者结合，复合填料能够在提高电子导电性的同时，改善热电性能。

图3. 复合碳基和金属基填料对水泥基热电材料热电性能的影响：(a) 均匀体积混合、梯度体积混合和梯度层混合的示意图，(b) MnO₂-碳纤维-水泥基热电材料 示意图，(c) Ni-MnO₂表面和 (d) 横截面的扫描电子显微镜图像，(e) ZnO在暴露于CO气氛后电导率减小的示意图。(f) ZnO-膨胀石墨-水泥基热电材料中热电效应的示意图，(g) p型金属氧化物暴露于O₂气氛后电导率增加的机制示意图，(h) 原始态和退火态SrTiO₃-单壁碳纳米管的时间依赖性，(i)多壁碳纳米管的选择性传输机制。

III 基体对热电性能的影响

基体的化学组成与微结构同样决定着水泥基热电材料的性能。不同类型的水泥基体在水化或碱激发过程中，会形成差异显著的凝胶网络，从而影响离子迁移效率与电子输运特性。

已有研究表明，地聚物和碱激发水泥的Seebeck系数普遍高于普通波特兰水泥。在特定条件下，高岭土基地聚物的Seebeck系数甚至可达数千μV K⁻1(需排除测量偏置的影响)。这说明，通过调控基体类型和微结构，可以在不引入额外填料的情况下显著提升热电响应。工程应用中，基体改性不仅追求热电性能，还要兼顾力学与耐久性。例如，在地聚物中适量加入碳纳米管或多壁碳纳米管，可同时提高电导率与功率因子，但掺量过高会引起团聚并削弱力学性能。

图4. 基体与填料复合对水泥基热电材料的影响：(a) 地聚物形成的示意图，(b) 低钙和高钙前驱体网络中硅网络的示意图，(c)地聚物内禀电压随时间的变化，(d) 离子在∆T作用下的三个阶段及其对电压影响的示意图，(e) 单壁碳纳米管-碱激发水泥机械性能与热电性能的反比关系，(f) 抗压强度与 (g) Seebeck系数与MnO₂含量的相关性。

IV 水泥基热电器件研究进展

随着材料性能的不断提升，水泥基热电材料逐步催生出实际的热电器件。这些器件通过转换热能为电能，为建筑、道路等基础设施的能源回收提供了新途径。器件的设计和性能优化成为推动这一技术实现的关键。

4.1 器件制备

水泥基热电器件的制备方法有两种主要方式：干压法和湿拌法。干压法：填料与水泥粉末在高压下压制，形成均匀分布的微结构，但易产生微裂纹和空隙。湿拌法：利用水泥水化反应将填料和胶结料结合，浇注成型，便于集成电极和接线，但低维填料容易在水介质中聚集。此外，3D打印技术在水泥基热电器件制备具有很大的潜力，能够根据需求制造复杂的器件结构，如Y型或环形模块，同时保持材料的完整性。

图5. 水泥基热电器件制备工艺示意图：(a) 干压法制备水泥基热电材料示意图，(b) 湿混法制备水泥基热电材料示意图，(c) 四探针法测试电导率示意图，(d) 双探针法测试热电效应示意图，(e) 高导电石墨烯-硅酸盐复合材料构建过程，(f) 采用p型和n型碳纳米管-水泥基热电材料制备的水泥基热电偶，(g) 由4个元件组成的水泥基热电器件，(h) 由9个元件组成的水泥基热电器件，(i) 多元件组成水泥基热电器件的示意图。

4.2 性能优化

随着水泥基热电材料性能的不断提升，水泥基热电器件的输出功率和效率也在逐步改进。早期的水泥基热电器件在ΔT = 60K时已实现约0.7 μW的最大输出功率。通过增加热电材料的优化，如掺入纳米碳管等材料，可以提升热电偶的整体功率因子和热电效率。同时，考虑到实际应用中的稳定性，研究者们正在努力提高材料的耐久性，以应对长期运行的环境挑战。

V 水泥基热电器件的应用

随着水泥基热电材料性能的不断提升，相关器件逐步应用于更广泛的实际场景。随着功能性器件性能的增强，水泥基热电器件在不同领域的应用前景愈加广阔，可以为建筑、基础设施等提供智能化的能源管理与保护功能。

5.1 结构监测与保护

早期的水泥基热电器件主要用于结构健康监测和自感知功能，特别是在传统水泥材料难以实现的内部缺陷检测和非破坏性评估中。水泥材料常用于承重和保护，要求其具有高耐久性，但由于密度大和不透明性，传统方法难以实时监测其长期使用中的内部状况。因此，基于热电效应的器件为结构监测提供了新的技术途径。

图6. 水泥基热电器件在监测与防护中的应用：(a) 自加热与自感知智能系统示意图，(b) 自加热与自感知智能系统的实际运行情况，(c) 采用环氧树脂封装后的水泥基传感器，(d) 水泥基温度传感器感知人体温度的自感知能力展示，(e) 水泥基热电器件电阻测试装置示意图，(f) 应变条件下ΔR/R的变化(0-2.15%)，(g) 温度作用下ΔR/R的变化(0-120℃)，(h) 器件在热循环过程中热电性能的稳定性。

5.2 能量收集

随着水泥基热电材料性能的提高，水泥基热电器件开始具备一定的能源输出能力，有望能够为低功率室内设备提供电力支持。在中等性能阶段，水泥基热电器件能够有效收集建筑表面或室内的废热，并转化为电能。

图7. 水泥基热电器件在能量收集中的应用：(a) 研究水泥基热电材料能量收集特性的实验装置示意图，(b) 单位面积器件获得的能量与功率计算结果，(c) 辐射状态下器件表面温度分布，(d) 水泥基热电发电机热电性能与能量收集的测量结果，(e) 3小时辐照下膨胀石墨-水泥基热电发电机(上)与膨胀石墨-ZnO-水泥基热电发电机(下)的红外热成像图，(f) 水泥-聚乙烯醇模块结构示意图，(g) 水泥-聚乙烯醇模块加热后的电压曲线，以及经其充电后的100μF和1000μF电解电容器电压曲线，(h) 水泥-聚乙烯醇超级电容器在不同扫描速率下的CV曲线。

5.3 智能建筑

在高性能阶段，水泥基热电器件有望实现分布式能源管理和智能响应功能。通过在建筑系统中集成水泥基热电材料，可以为智慧建筑提供实时能源管理与调节功能，实现建筑内部的能源自动化和智能反馈。

VI 总结

水泥作为基础材料的广泛应用意味着，即使其本征特性的微小改变也可能对能源消耗模式和碳排放产生重大影响。水泥基热电材料的出现成功打破了水泥结构性与功能性之间的界限——通过将水泥从传统的承重防护角色转变为多功能可持续材料，这一领域正获得日益广泛的关注。本文回顾了水泥基热电材料的研究进展，重点讨论了填料与基体改性策略、器件制备方法以及应用前景。此外，水泥基热电器件已经开始在结构监测和能量收集等领域展现出应用潜力。未来随着技术的不断优化，水泥基热电材料有望在更广泛的领域得到应用。

尽管水泥基热电材料的性能有了显著提升，但仍面临许多挑战。首先，填料与水泥基体的兼容性问题仍未完全解决，填料与基体之间的协同作用尚需进一步优化。其次，器件的长期稳定性和耐用性仍是制约其广泛应用的关键因素。特别是在长期运行过程中，水泥基热电器件可能会受到环境应力和湿度变化的影响，导致功率衰减。

未来的研究应侧重于填料与基体的协同优化，提升两者之间的兼容性，以达到最佳的热电性能。同时，器件生产的标准化和规模化将是推动技术应用的关键，尤其是在实际工程中，如何提高水泥基热电器件的长期稳定性和耐久性，将直接决定其在智慧建筑和能源回收领域的应用前景。新型低成本填料的开发和环境友好型材料的使用，能够为这一技术的可持续发展提供重要支持。

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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