The optimal contribution of electronic carriers in polymeric mixed ionic–electronic conducting (MIEC) films was explored to achieve high thermoelectric (TE) conversion at a low temperature gradient (ΔT) using poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) (P), potassium ferricyanide (F), and well-dispersed graphene flakes (G). In this composite (PFG) film, the active carriers were identified as CN⁻ and electrons. The sulfonate groups in P effectively dispersed the graphene flakes into nanoscale electronic channels, while P and F provided ionic channels for CN⁻ transport. By systematically varying the G content and humidity, a series of MIECs with broad electronic (σ_e) and ionic (σ_i) conductivity ranges were developed. Among these, the PFG film containing 3 wt% G (PFG3) exhibited a remarkable total Seebeck coefficient (S) of over −40 mV K⁻¹ under conditions of a ΔT of 5.3 K, 80% RH and room temperature. Additionally, PFG3 demonstrated a stable voltage output (V_out) even after 3000 s. From the residual V_out, the electronic Seebeck coefficient (S_e) was determined to be −990 μV K⁻¹, the highest value reported for polymeric TE films. The simultaneous enhancement of S_e and S in the same film indicated an optimized balance of electronic and ionic carrier contributions, further confirmed by the transference numbers and the conductivity ratio (σ_e/σ_i). The power density (PD) of the PFGs was also found to depend on σ_e/σ_i, underscoring the importance of controlling carrier contributions. Despite its MIEC nature, PFG3 efficiently transported electronic carriers through G channels, and the relationship of S_e vs. σ_e aligned with a degenerate electronic model for PFGs. Scaling up the PFG3 film into a TE module yielded an energy density of 36.0 J m⁻² and a PD of 18.6 mW m⁻² for a ΔT of 4.9 K. The practical potential of the PFG system was demonstrated by successfully powering a diode for an extended period using TE energy harvesting and light-triggered photo-TE systems, highlighting the versatility and promise of this material for low-grade thermal energy applications.

中文翻译：

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通过聚合物混合离子-电子导电薄膜中电子载流子的最佳贡献实现高热电转化率


使用聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸）（P）、铁氰化钾 （F） 和分散良好的石墨烯片 （G），探索了电子载体在聚合物混合离子-电子导电 （MIEC） 薄膜中的最佳贡献，以实现低温梯度 （ΔT） 下的高热电 （TE） 转换。在该复合 （PFG） 薄膜中，活性载流子被鉴定为 CN⁻ 和电子。P 中的磺酸盐基团有效地将石墨烯薄片分散到纳米级电子通道中，而 P 和 F 为 CN⁻ 传输提供离子通道。通过系统地改变 G 含量和湿度，开发了一系列具有宽电子 （σ_e） 和离子 （σ） 电导率范围的 MIEC。其中，在 5.3 K 的 ΔT、80% RH 和室温的条件下，含有 3 wt% G （PFG3） 的 PFG 薄膜表现出超过 -40 mV ^K-1 的显着总塞贝克系数 （S）。此外，PFG3 在 3000 秒后仍表现出稳定的电压输出 （V_out）。从残差 V_输出，电子塞贝克系数 （S_e） 确定为 -990 μV ^K-1，这是聚合物 TE 薄膜报道的最高值。在同一薄膜中 S_e 和 S 的同步增强表明电子和离子载流子贡献的平衡得到优化，转移数和电导率比 （σ_e/σ） 进一步证实了这一点。 还发现 PFG 的功率密度 （PD） 取决于 σ_e/σ，强调了控制载波贡献的重要性。尽管具有 MIEC 性质，但 PFG3 通过 G 通道有效地传输电子载流子，并且 S_e与 σ_e 的关系与 PFG 的简并电子模型一致。将 PFG3 薄膜放大到 TE 模块中，对于 ΔT，能量密度为 36.0 J ^m-2 和 18.6 mW ^m-2 的 PD的 4.9 K。通过使用 TE 能量收集和光触发光 TE 系统成功地为二极管长时间供电，证明了 PFG 系统的实用潜力，突出了这种材料在低品位热能应用中的多功能性和前景。