《Nano Energy》综述：深圳大学陈光明课题组梳理热电水泥研究进展，赋能智慧基础设施|Nano Energy|nano energy|填料|深圳大学|热电水泥|陈光明(1943年)

内容简介

近日，深圳大学陈光明课题组在《Nano Energy》发表题为“Thermoelectric cement for intelligent infrastructure”的综述论文。文章回顾了热电水泥近二十余年的技术发展，系统总结了材料输运机理、功能填料与界面设计、先进绿色制造、器件输出和基础设施应用等研究进展，并对不同材料体系及器件的优势与局限进行了比较。

文章从打通“材料性能—器件输出—工程应用”之间的评价链条切入。水泥基体系内可能同时存在电子和离子输运，测得的较大热电压未必能直接转化为持续电流，因此不能只依据单一表观Seebeck系数判断器件能量收集能力。文章进一步提出应将材料结构稳定性、实际负载输出、绿色制造、服役环境及经济成本纳入统一考量，为热电水泥由实验室研究走向可部署的智慧基础设施组件提供了发展参考。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2026.112428

研究背景

在绿色建筑、低碳能源和智慧城市加速发展的背景下，传统基础设施正由单一的结构承载功能向智能感知、能源收集和多功能集成方向转型。水泥基材料是建筑、道路和桥梁中应用最广泛的工程材料之一，但其长期以来主要承担被动承载与防护作用，难以直接利用结构内外广泛存在的温度梯度，也难以自主感知温度变化和结构损伤。

热电水泥通过引入导电填料、优化材料界面或利用水泥基体中的离子热扩散行为，使温差产生可测量的电压信号，为结构自感知、早期预警及低品位热能收集提供了新思路。然而，实验室报道的高热电压并不必然意味着稳定、可持续的电能输出。厘清电荷输运机制，并同步解决规模化制造、器件集成和长期服役可靠性问题，已成为推动热电水泥走向工程应用的关键。

本文亮点

1.系统梳理热电水泥的多机制输运与材料设计：围绕电子输运、离子热电响应及混合输运体系，分析碳纳米填料、界面调控和新型胶凝基体对热电性能的影响，强调应区分表观热电压与实际载流子输运机制。

2.贯通先进制造与真实器件性能评价：比较湿法混合、干法压制、冰模板和3D打印等制造路线，讨论导电网络均匀性、电极接触、内部电阻和负载输出等关键指标，推动研究由“材料参数优化”向“器件有效输出”转变。

3.提出面向智慧基础设施的分阶段应用路线：系统评估结构健康监测、钢筋防腐、火灾预警、能量收集与温度管理等应用的成熟度，明确近期可优先开展电压信号驱动的传感与预警，长期再突破持续供电及主动热管理。

图文导读

1.热电水泥的发展历程与核心输运机制

文章将热电水泥的发展大致划分为三个阶段：1998—2014年主要探索导电水泥中的热电效应；2015—2019年通过碳纳米管、石墨烯等低维填料及分散技术提升材料性能；2020—2025年逐步转向器件集成、增材制造及离子热电体系开发。总体而言，相关研究正从概念验证和材料性能提升迈向面向真实场景的结构功能一体化。

不同于载流子机制相对清晰的传统电子热电材料，水泥中水化产物、孔溶液、可迁移离子与导电填料往往共存。温差既可能驱动电子或空穴运动，也可能引起离子迁移与界面极化。文章指出，对于尚未独立分离电子、离子贡献的体系，应将测量结果视为表观热电势（Sapp），不能将高开路电压直接解释为可持续输出的电子功率。

图1.热电水泥的发展历程：从热电效应探索、性能提升到器件开发。

2.热电水泥材料设计与工程约束

在电子热电设计方面，碳纤维、碳纳米管、石墨烯、膨胀石墨和炭黑等填料能够形成导电网络，增强水泥基体的电荷传输能力。掺杂、缺陷调控以及碳纳米管/PEDOT:PSS复合等策略，还可改善载流子输运和界面电荷转移。但填料含量过高也可能降低浆体流动性、损害力学强度、增加热导率与成本，因而需要对Seebeck系数、电导率、热导率和实际器件输出进行协同优化。

在离子热电设计方面，地聚合物及含水胶凝体系中的可迁移离子可在温差作用下产生浓度极化。文章介绍的一项PVA界面调控研究报道了−40.5 mV K⁻1的表观热电势，显示出离子热响应的潜力，但相关电子与离子贡献并未被完全分离。文章强调，若缺乏有效的离子—电子转换或储能通道，高热电压并不必然产生持续电流。工程化设计还必须兼顾水分稳定性、力学耐久性、低碳原料和功能填料的经济性。

图2.导电填料网络、离子热电响应、界面工程与工程可持续性设计策略。

3.先进绿色制造与结构功能一体化

文章比较了湿法混合、干法压制、冰模板和增材制造等主要技术路线。传统湿法与干法工艺较为成熟，但容易面临纳米填料团聚、导电网络不均及放大制备后批次差异等问题。文章指出，分散质量应作为制造过程中的关键控制参数，需结合显微与光谱表征、流变测试以及电阻、阻抗测量，评价材料的结构均匀性与电学连通性。

冰模板技术可通过定向冻结构筑有序孔道，为电荷与热量传输路径设计提供启发，但周期长、能耗高及重复性不足限制其规模化。3D打印则有望直接制备具有复杂形状和集成功能的水泥基构件，未来的重要方向是推动p型、n型热电单元与绝缘层、电极等多材料协同制造。与此同时，低剂量混合导电网络、局部功能层、工业副产物利用和可拆卸模块化结构，能够为降低材料成本与全生命周期环境负担提供新思路。

图3.湿法混合、干法压制、冰模板和3D打印等热电水泥制造技术。

4.从结构自感知到能量收集：智慧基础设施应用

在结构健康监测方面，热电水泥可利用温差诱导的电压信号感知温度变化，并通过裂纹等微结构变化引起的电荷传输差异辅助识别损伤与修复状态。通过多尺度导电网络设计，还可将温度与力学响应等信息进行集成，为分布式基础设施监测提供新的材料平台。

在智能防护方面，相关文献报道的水泥基热电器件在特定测试条件下可使钢筋腐蚀速率降低约47%，表明其在辅助阴极保护方面具有应用潜力。局部快速升温还可能引发可辨识的电压变化，为火灾早期预警提供信号来源。文章认为，这类以信号识别为主的场景，相较需要持续大功率输出的应用，更有希望率先开展真实环境验证。

在能源收集与储存方面，文章讨论了建筑围护结构、道路及工业设施的温差利用。一项文献报道的集成水泥器件可在10 K温差下产生724 mV电压，并结合储能功能实现LED的后续点亮，但这并不等同于持续发电。文章还展望了热电水泥与辐射制冷、道路热管理及智慧城市物联网的协同应用，指出连续能量收集和基于Peltier效应的主动控温仍需突破器件功率、界面与系统集成瓶颈。

图4.热电水泥的结构感知、钢筋防护、火灾预警、能量收集与智慧城市应用。

5.核心挑战与未来工程化发展路线

文章指出，热电水泥领域面临的关键问题，不是缺少应用设想，而是部分材料层面的高热电响应与实际器件输出之间仍存在差距。对于电子—离子机制尚未厘清的体系，应明确测试中的湿度、养护龄期、电极条件、温差及响应时间；器件评价则应报告真实负载下的电压、电流、内部电阻、输出功率和长期稳定性，避免直接比较测试条件与归一化方式不同的功率密度。

文章进一步提出分阶段发展路径：近期优先发展温度感知、损伤监测和火灾预警等对电压信号敏感的场景；中期重点完善电极界面、能量储存耦合、结构模块化及可规模化制造；长期则面向实际温差与热—力—湿度耦合工况，建立持续、可靠且可扩展的电能输出能力，逐步拓展至主动热管理与城市级智能基础设施系统。

图5.材料开发、规模化制造与分阶段工程应用的发展路线图。

总结

该综述系统总结了热电水泥材料由电子导电网络构筑、离子热电与界面调控，到绿色制造、器件集成和智慧基础设施应用的发展进展。文章强调，评价热电水泥不能仅关注较高的表观热电势，更应明确电荷输运路径及其与有效电流、功率输出之间的关系，将制造可扩展性、结构性能、耐久性和成本一并纳入优化。

面向未来，热电水泥有望率先在温度感知、结构监测和安全预警等低功耗场景实现示范，并随着器件架构、界面工程与稳定输出技术的进步，逐步拓展至能量收集、辅助防护及智能能源管理，为传统建筑材料从被动承载向多功能智慧基础设施组件转型提供新的技术路径。

作者简介

陈光明

本文通讯作者

深圳大学，教授

作者介绍：陈光明，深圳大学特聘教授，博士生导师。长期从事聚合物/无机粒子纳米复合材料研究，近年来聚焦于有机/无机复合热电材料、柔性热电器件及其在可穿戴电子、智能感知、安全预警与建筑等应用场景研究。承担国家自然科学基金委、广东省和深圳市科研项目，已发表期刊论文260余篇，参编专著2章。担任Advanced Composites and Hybrid Materials期刊副主编，Nano-Micro Letters、Energy Material Advances和Composites Science and Technology等期刊编委，National Science Reviews期刊编辑工作组成员。