يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

خلية كيميائية حرارية غير متناظرة لحصاد الحرارة منخفضة الدرجة تحت عملية Isothermal

7.1K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/60768

⸱

فبراير 5, 2020

 ,  ,  ,  , 
1Electrochemical Nanoengineering Group, Department of Mechanical Engineering, University of Hong Kong

* These authors contributed equally

في هذه المقالة

ملخص

الحرارة منخفضة الدرجة وفيرة، ولكن انتعاشها الفعال لا يزال تحديا كبيرا. نبلغ عن خلية حرارية كيميائية غير متناظرة باستخدام أكسيد الجرافين ككاثود وبوليانيلين كأنود مع KCl كالمنحل بالكهرباء. تعمل هذه الخلية تحت التدفئة الأيروثرمال، وتظهر كفاءة تحويل عالية من الحرارة إلى الكهرباء في المناطق ذات درجات الحرارة المنخفضة.

الملخص

الحرارة منخفضة الدرجة متوفرة بوفرة في البيئة كحرارة النفايات. التحويل الفعال للحرارة منخفضة الدرجة إلى كهرباء أمر صعب للغاية. لقد طورنا خلية كيميائية حرارية غير متناظرة (aTEC) لتحويل الحرارة إلى الكهرباء في إطار عملية isothermal في عمليات الشحن والتفريغ دون استغلال التدرج الحراري أو الدورة الحرارية. يتكون aTEC من كاثود أكسيد الجرافين (GO) ، وأنود البوليانيلين (PANI) ، و 1M KCl كالمنحل بالكهرباء. تولد الخلية جهدًا بسبب التفاعل الزائف للجو عندما يتم توصيل التدفئة من درجة حرارة الغرفة (RT) إلى درجة حرارة عالية (TH، ~ 40-90 درجة مئوية) ، ثم يتم إنتاج التيار على التوالي عن طريق الأكسدة PANI عند توصيل حمولة كهربائية خارجية. وaTEC يوضح معامل درجة حرارة ملحوظ من 4.1 mV/K وارتفاع كفاءة تحويل الحرارة إلى الكهرباء من 3.32٪، والعمل في TH = 70 درجة مئوية مع كفاءة كارنوت من 25.3٪، وكشف النقاب عن تكنولوجيا جديدة واعدة thermoelectrochemical لانتعاش الحرارة منخفضة الدرجة.

المقدمة

يمكن إعادة تدوير الطاقة الحرارية منخفضة الدرجة في كل مكان (<100 درجة مئوية) وتحويلها إلى كهرباء1،2 ولكنها تهدر بدلاً من ذلك. لسوء الحظ ، لا يزال استرداد الحرارة تحديًا كبيرًا ، لأن تحويل الحرارة منخفضة الدرجة إلى كهرباء عادة ما يكون غير فعال بسبب الفرق المنخفض في درجة الحرارة والطبيعة الموزعة لمصادر الحرارة3. وقد أجريت بحوث مكثفة في المواد والأجهزة الحرارية الصلبة (TE) على مدى العقود الماضية، ولكن تطبيق قابلة للتطوير من الأجهزة TE في نظام الحرارة منخفضة الدرجة محدودة من كفاءة تحويل الطاقة منخفضة(ه)من <2%4.

وقد اقترح النهج البديلة على أساس تأثير درجة الحرارة على الخلايا الكهروكيميائية كحل لهذه المشكلة، وذلك لأن معامل سيبيك الأيونية (α) من الخلايا الحرارية الكهروكيميائية (TECs) هو أعلى بكثير من ذلك من أشباه الموصلات TE5،6. تستخدم الخلايا الحرارية (TGC) الشوارد النشطة الحمراء الموجودة بين أقطاب كهربائية متطابقة لتوليد جهد كهربائي عبر الخلية عند تطبيق تدرج حراري. ومائي شائع الاستخدام Fe (CN)63-/ Fe (CN)64- تم الإبلاغ عن وجود إلكهار في TGCs يحتوي على α من -1.4 mV/K وينتج هـ <1%7،8،9،10،11. ومع ذلك ، تعاني TGCs من عيب الموصلية الأيونية الفقيرة للكهارل السائل ، والذي يبلغ حوالي ثلاثة أوامر من الحجم أصغر من الموصلية الإلكترونية في مواد TE. يمكن تحسين الموصلية الكهربائية ، ولكن هذا التحسن مصحوب دائمًا بالموصلية الحرارية الأعلى ، مما يؤدي إلى تدرج في درجة الحرارة أقل. ولذلك، فإن E من TGCs محدودة بطبيعتها بسبب المفاضلة بين التوصيل المنحل بالكهرباء السائل ومتطلبات درجة الحرارة لردود فعل الأكسدة المطلوبة في كل جانب من القطب.

دورة الكهربية الكهربية التجديدية حراريا (TREC)12،13،14 على أساس نظام البطارية باستخدام النحاس الصلب hexacyanoferrate (CuHCF) الكاثود وCu / Cu+ أنود أفيد مؤخرا. تم تكوين TREC كخلية جراب لتحسين التوصيل الكهربائي ، مما يظهر α من −1.2 mV / K ويصل إلى درجةعالية منE بنسبة 3.7٪ (21٪ منكارنوت)عند تشغيلها عند 60 درجة مئوية و 10 درجة مئوية. ومع ذلك ، فإن أحد حدود TREC هو أن الكهرباء الخارجية مطلوبة في بداية العملية لشحن الأقطاب الكهربائية في كل دورة حرارية ، مما يؤدي إلى تصميمات نظام معقدة14. يمكن تحقيق TREC دون هذا القيد ، لكنه يعاني من ضعف كفاءة التحويل من <1٪13. يوضح نظام TREC أن البطارية الثانوية من نوع الصوديوم أيون (SIB) المكونة من نوعين من نظائرها الزرقاء البروسية (PBA) ذات قيم α المختلفة يمكن أن تحصد حرارة النفايات. تزداد الكفاءة الحرارية بشكل متناسب مع درجة الحرارة. وعلاوة على ذلك، يصل إلى 1.08٪، 3.19٪ في 30 K = 56 K بشكل منفصل. يتم تحسين cyclability الحرارية باستخدام ني استبدال PBA15،16،17،18.

بدلا من ذلك، بطارية الأمونيا المتجددة حراريا (TRAB) توظف الأزواج الأكسدة النحاس القائم [Cu(NH3)42 +/ Cu (II)/Cu] التي تعمل مع تدرج درجة الحرارة العكسي عن طريق تبديل درجة حرارة المنحل بالكهرباء تعاونت مع أقطاب كهربائية إيجابية وسلبية، والتي تنتج E من 0.53٪ (13٪ من الكارنيو). ومع ذلك ، يتم تكوين هذا النظام مع خزانين كاملين من المنحل بالكهرباء السائل ، مما تسبب في التدفئة والتبريد. أيضا ، تيار الأمونيا في النظام يخلق مخاوف بشأن السلامة والتسرب والاستقرار19،20،21.

هنا نقدم خلية حرارية كيميائية غير متناظرة (aTEC) لتحويل الحرارة إلى الكهرباء التي يمكن شحنها حراريًا وتفريغها كهربائيًا عن طريق التسخين المستمر دون الحفاظ على تدرج درجة الحرارة في تكوين هندسي أو تبديل درجات الحرارة في دورة حرارية. يستخدم aTEC أقطاب كهربائية غير متماثلة، بما في ذلك كاثود أكسيد الجرافين (GO) وأنود البولي انيلين (PANI)، وKCl كالمنحل بالكهرباء. يتم شحنها حراريًا عبر التأثير الحراري الزائف للجو ثم يتم تفريغها مع تفاعل الأكسدة من PANI. وتجدر الإشارة إلى أن aTEC يعرض α عالية من 4.1 mV/K ويحققE من 3.32٪، وهو أعلى مستوى يتحقق على الإطلاق عند 70 درجة مئوية (25.3٪ منكارنوت).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. إعداد القطب أكسيد الجرافين

  1. تركيب أكسيد الجرافين عبر طريقة هامر المعدلة
    1. الخطوات 1.1.2 و 1.1.3 تحدث في درجة حرارة منخفضة (<0 درجة مئوية). تعميم المياه الجليدية المتدفقة من خلال الطبقة الخارجية من كوب زجاج الجدار المزدوج وضعت على التحريك المغناطيسي لخلق ظروف درجة حرارة منخفضة للالمواد المتفاعلة في الداخل.
    2. مزيج 1 غرام من نترات الصوديوم (ناو3)مع 100 مل من حمض الكبريتيك (H2SO4، الصف الكاشف ، 95-98 ٪) باستخدام التحريك البطيء في الكأس.
    3. إضافة 1 غرام من الجرافيت تقشر في حمض الكبريتيك ويحرك لمدة 1 ساعة في الحمام البارد. إضافة 6 غرام من برمنغنات البوتاسيوم (KMnO4)تدريجيا إلى الحل ويحرك الخليط لمدة 2 ساعة أخرى.
    4. الخطوة التالية من رد الفعل يحدث في درجة حرارة متوسطة (~ 35 درجة مئوية). تغيير الماء المثلج إلى 35 درجة مئوية الماء ومواصلة أكسدة الجرافيه عن طريق التحريك لمدة 1/2 ساعة.
    5. الخطوة الأخيرة من رد الفعل يحدث في TH (80-90 درجة مئوية). أضف 46 مل من الماء الديالمتين (DI) (70 درجة مئوية) إلى خزان التفاعل بقطرة. لاحظ أن رد الفعل قوي. إضافة 140 مل من ماء DI و 20 مل من بيروكسيد الهيدروجين (30٪ H2O2)في خزان التفاعل كخطوة أخيرة من التفاعل. تأكد من أن الجسيمات الذهبية من GO تظهر نتيجة لذلك.
    6. غسل المنتج جيدا مع حمض الهيدروكلوريك المخفف (HCl) وماء DI عدة مرات حتى تعليق GO تصل إلى درجة الحموضة = 7.
    7. تجميد تعليق GO غسلها بين عشية وضحاها وتجفيفه في مجفف تجميد حتى يتبخر الماء تماما.
  2. إعداد قطب أكسيد الجرافين
    1. اخلط أكسيد الجرافين وأسود الكربون وPVDF بنسبة كتلة 75:15:10 ووضعها في زجاجة. بالتنقيط المذيب N-ميثيل-2-pyrrolidone (NMP) في خليط صلب وضمان نسبة الوزن من المذيبات والخليط الصلب هو 4:1.
    2. إعداد لصق عن طريق خلط في 2000 دورة في الدقيقة لمدة 13 دقيقة وإزالة الرغوة في 1200 دورة في الدقيقة لمدة 2 دقيقة مع خلاط.
    3. فرشاة معطف عجينة على ورق الكربون حتى معطف ~ 8-15 ملغ / سم2 وتجفيفه لمدة 4 ساعات في 40 درجة مئوية.

2. إعداد القطب البوليانيلين (باني)

  1. إعداد 1 wt٪ carboxymethyl السليلوز (CMC) محلول مائي عن طريق إذابة مسحوق CMC في ماء DI عن طريق التحريك لمدة 10 ساعة.
  2. مزيج 50 ملغ من ليوكولميرميرسين قاعدة باني و 10 ملغ من أسود الكربون في الكأس. أضف 150 ميكرولتر من محلول CMC 1 wt٪ في الكأس وخلطمع التحريك المغناطيسي لمدة 12 ساعة.
  3. أضف 6 ميكرولتر من محلول الستايرين-بوتادين (SBR) بنسبة 40% إلى الخليط وحركلمدة 15 دقيقة أخرى.
  4. ضع قطعة من ورق الكربون على معطف شفرة الطبيب واسقط الطين باني المختلط على الحافة الرائدة من ورق الكربون.
  5. شفرة معطف الطين لإنتاج فيلم 400 ميكرومتر سميكة على ورقة الكربون. تجفيف الطلاء لمدة 4 ساعات في 50 درجة مئوية.

3. تجميع خلية الحقيبة

  1. قطع احباط التيتانيوم في حجم approproate ومن ثم توصيل كل قطعة إلى علامة تبويب النيكل مع 20 كيلوهرتز آلة لحام بقعة بالموجات فوق الصوتية.
  2. ضع الفاصل المسامي المائي القائم على البولي بروبلين بين قطب GO وقطب PANI لتجنب الدوائر القصيرة. يتم إقران كل قطب كهربائي مع جامع واحد الحالي.
  3. حزمة الأقطاب الكهربائية باستخدام فيلم مغلفة الألومنيوم. ختم الجانبين من الفيلم مغلفة الألومنيوم مع ختم فراغ المدمجة لمدة 4 s. تعيين درجة حرارة أجزاء الختم العلوي والسفلي كما 180 درجة مئوية و 160 درجة مئوية على حدة.
  4. حقن 500 ميكرولتر من 1 M KCl المنحل بالكهرباء في خلية الحقيبة والسماح للتوازن لمدة 10 دقيقة.
  5. قذف المنحل بالكهرباء الزائد وختم الجانب الأخير من خلية الحقيبة في غرفة فراغ -80 كيلو باسكال.

4. إعداد نظام التحكم في درجة الحرارة

  1. كومة خلية الحقيبة بين وحدتين الحرارية. ضع الأزواج الحرارية على الجانبين العلوي والسفلي من الخلية. تطبيق لصق الحرارية على جميع الواجهات لضمان الاتصال الحراري جيدة.
    ملاحظة: يتم التحكم في درجة الحرارة باستخدام رمز LabVIEW. تتم مقارنة درجات الحرارة التي تقاس من الأزواج الحراريين مع درجات الحرارة الإعداد ويتم تحديد الجهد الناتج من خلال الفرق بين درجة الحرارة في الوقت الحقيقي وتحديد درجة الحرارة عن طريق التحكم PID. يتم إرسال إشارات الجهد إلى مصدر الطاقة ويتم توصيلها بالوحدة الحرارية. يضمن التحكم في الحلقة المغلقة دقة قياس درجة الحرارة داخل ± 0.5 درجة مئوية.

5- التوصيف الكهروكيميائي

  1. إجراء الاختبارات الكهروكيميائية للخلية باستخدام القوية. إجراء الشحن الحراري في وضع الدائرة المفتوحة أثناء تنفيذ عملية التفريغ الكهربائي في تيار ثابت.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

تم تكوين خلية الحقيبة aTEC مع أقطاب كهربائية غير متماثلة تتكون من كاثود GO ، وأنود PANI ، ومليئة بالكهرباء KCl. سمك خلية الحقيبة هو مبين في الشكل 1A هو 1 ملم، مما يسهل الظروف isothermal بين القطبين وكذلك التوصيل الحراري الفعال. تظهر صور المجهر الإلكتروني المسحي (SEM) لكاثود GO وأنود PANI المغلف على ورق الكربون في الشكل 1B والشكل 1C. يزيد الهيكل المسا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

يقوم aTEC بتحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء عبر عملية شحن حراري عند التسخين من RT إلى TH وعملية تفريغ كهربائية متتالية في TH. التخلص من الاعتماد على تدرج درجة الحرارة أو دورة درجة الحرارة مثل TGC و TREC، aTEC يسمح عملية التدفئة isothermal خلال عمليات الشحن والتفريغ بأكملها. ويستند الجهد المستحث الحراري على تأثير الزائفة من GO لأن التدفئة يسهل chemisorption من البروتونات على مجموعات وظيفية الأكسجين من GO، مما تسبب في رد فعل الزائفة في واجهة جو المائية. تساهم PANI قليلاً في زيادة الجهد ولكنها توفر الإ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

ولا يعلن صاحبا البلاغ عن أي مصالح مالية متنافسة.

شكر وتقدير

ويعترف المؤلفون بالمناقشة البناءة مع البروفيسور د. ي. ك. ليونغ والدكتور ي. تشن (جامعة هونغ كونغ)، والبروفيسور م. ه. ك. ليونغ (جامعة مدينة هونغ كونغ)، والدكتور و. يقر المؤلفون بالدعم المالي لصندوق البحوث العامة التابع لمجلس المنح البحثية لمنطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة، الصين، تحت رقم الجائزة 17204516 و17206518، وصندوق الابتكار والتكنولوجيا (المرجع: ITS/171/16FX).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
فيلم مغلف بالألوميناShowa DenkoSPALF C4
أسود الكربونAlfa AesarH30253.22
ورق الكربونCeTech Co. LtdW0S1009
كربوكسي ميثيل السليلوز (CMC) شركةGuidechem
DC Powersupply B & K PrecisionModel 913-B
Doctor Blade coaterShining Energy Co. Ltd
GamryGamry InstrumentsReference 3000
GraphiteSigma-Aldrich332461-2.5KG
خلاطThinkyARE-250
علامة تبويب النيكلTianjin Iversonchemبعرض
4 ممN-Methyl-2-pyrrolidone (NMP)سيجما ألدريتش443778-1L
بولي أنيلين (قاعدة leucoemeraldin)سيجما ألدريتش530670-5G
برمنجنات البوتاسيوم (KMnO4) فاصلسيجما ألدريتش223468-500G
CLDP25 ميكرومتر سمك
نترات الصوديوم (NaNO3) سيجماألدريتشS5506-250G
ستايرين بوتادينشركة تيانجين IversonchemBM400
حمض الكبريتيكسيجما ألدريتش320501-2.5L
وحدات كهروحراريةCUI Inc.CP455535H
رقائق التيتانومسمك Qingyuan المعدن0.03 مم
:

المراجع

  1. Chu, S., Majumdar, A. Opportunities and Challenges for A Sustainable Energy Future. Nature. 488, 294(2012).
  2. Forman, C., Muritala, I. K., Pardemann, R., Meyer, B. Estimating the Global Waste Heat Potential. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 57, 1568-1579 (2016).
  3. Gur, I., Sawyer, K., Prasher, R. Searching for A Better Thermal Battery. Science. 335 (6075), 1454-1455 (2012).
  4. He, R., Schierning, G., Nielsch, K. Thermoelectric Devices: A Review of Devices, Architectures, and Contact Optimization. Advanced Materials Technologies. 3 (4), 1700256(2018).
  5. Abraham, T. J., MacFarlane, D. R., Pringle, J. M. High Seebeck Coefficient Redox Ionic Liquid Electrolytes for Thermal Energy Harvesting. Energy & Environmental Science. 6 (9), 2639-2645 (2013).
  6. Zhang, L., et al. High Power Density Electrochemical Thermocells for Inexpensively Harvesting Low-Grade Thermal Energy. Advanced Materials. 29 (12), 1605652(2017).
  7. Duan, J., et al. Aqueous Thermogalvanic Cells with A High Seebeck Coefficient for Low-Grade Heat Harvest. Nature Communications. 9 (1), 5146(2018).
  8. Im, H., et al. High-Efficiency Electrochemical Thermal Energy Harvester Using Carbon Nanotube Aerogel Sheet Electrodes. Nature Communications. 7, 10600(2016).
  9. Hu, R., et al. Harvesting Waste Thermal Energy Using A Carbon-Nanotube-Based Thermo-Electrochemical Cell. Nano Letters. 10 (3), 838-846 (2010).
  10. Poletayev, A. D., McKay, I. S., Chueh, W. C., Majumdar, A. Continuous Electrochemical Heat Engines. Energy and Environmental Science. 11 (10), 2964-2971 (2018).
  11. Qian, W., Li, M., Chen, L., Zhang, J., Dong, C. Improving Thermo-Electrochemical Cell Performance by Constructing Ag-MgO-CNTs Nanocomposite Electrodes. RSC Advances. 5 (119), 97982-97987 (2015).
  12. Lee, S. W., et al. An Electrochemical System for Efficiently Harvesting Low-Grade Heat Energy. Nature Communications. 5, 3942(2014).
  13. Yang, Y., et al. Charging-Free Electrochemical System for Harvesting Low-Grade Thermal Energy. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (48), 17011-17016 (2014).
  14. Yang, Y., et al. Membrane-Free Battery for Harvesting Low-Grade Thermal Energy. Nano Letters. 14 (11), 6578-6583 (2014).
  15. Fukuzumi, Y., Amaha, K., Kobayashi, W., Niwa, H., Mortitomo, Y. Prussian Blue Analogues as Promising Thermal Power Generation Materials. Energy Technology. 6 (10), 1865-1870 (2018).
  16. Shibata, T., Fukuzumi, Y., Kobayashi, W., Moritomo, Y. Thermal Power Generation During Heat Cycle Near Room Temperature. Applied Physics Express. 11 (1), 017101(2018).
  17. Shibata, T., Fukuzumi, Y., Moritomo, Y. Thermal Efficiency of A Thermocell Made of Prussian Blue Analogues. Scientific Reports. 8 (1), 14784(2018).
  18. Takahara, I., Shibata, T., Fukuzumi, Y., Moritomo, Y. Improved Thermal Cyclability of Tertiary Battery Made of Prussian Blue Analogues. ChemistrySelect. 4 (29), 8558-8563 (2019).
  19. Zhang, F., Liu, J., Yang, W., Logan, B. E. A Thermally Regenerative Ammonia-Based Battery for Efficient Harvesting of Low-Grade Thermal Energy as Electrical Power. Energy and Environmental Science. 8 (1), 343-349 (2015).
  20. Zhu, X., Rahimi, M., Gorski, C. A., Logan, B. A Thermally-Regenerative Ammonia-Based Flow Battery for Electrical Energy Recovery from Waste Heat. ChemSusChem. 9 (8), 873-879 (2016).
  21. Zhang, F., LaBarge, N., Yang, W., Liu, J., Logan, B. E. Enhancing Low-Grade Thermal Energy Recovery in a Thermally Regenerative Ammonia Battery Using Elevated Temperatures. ChemSusChem. 8 (6), 1043-1048 (2015).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

استكشف المزيد من المقالات

استعادة الحرارة منخفضة الدرجةكاثود أكسيد الجرافينأنود البولي أنيلينإلكتروليت كلوريد البوتاسيوممعامل درجة الحرارةتحويل الحرارة إلى كهرباءشحن حراريتفريغ كهربائي
خلية كيميائية حرارية غير متناظرة لحصاد الحرارة منخفضة الدرجة تحت عملية Isothermal
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.