הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

תא תרמוכימי אסימטרית לקצירת חום בדרגה נמוכה תחת פעולת איזותרמי

7.1K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/60768

⸱

5 בפברואר 2020

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

* These authors contributed equally

במאמר זה

סיכום

חום בדרגה נמוכה הוא שופע, אבל ההחלמה היעילה שלה הוא עדיין אתגר גדול. אנו מדווחים על תא תרמוכימי אסימטרי באמצעות תחמוצת גראפן כמו קתודה ו פוליאנילין כמו אנאודה עם kcl כמו אלקטרוליט. תא זה עובד תחת חימום איזותרמי, המציגות יעילות גבוהה המרה חום לחשמל באזורים בטמפרטורה נמוכה.

תקציר

חום בדרגה נמוכה זמין בשפע בסביבה כמו חום פסולת. ההמרה היעילה של חום בדרגה נמוכה לחשמל קשה מאוד. פיתחנו תא תרמוכימי (בטק) אסימטרית להמרת חום-לחשמל תחת הפעולה איזותרמי בתהליכי טעינה והעתקה מבלי לנצל את המעבר התרמי או את המחזור התרמי. הבטק מורכב מ תחמוצת גראפן (GO) קתודה, פוליאנילין (PANI) אנאודה, ו-1M KCl כמו אלקטרוליט. התא יוצר מתח עקב תגובה מדומה מדומה של GO כאשר החימום מטמפרטורת החדר (RT) לטמפרטורה גבוהה (TH, ~ 40-90 ° c), ולאחר מכן הנוכחי הוא המיוצר ברציפות על ידי אוקסיגון PANI כאשר עומס חשמלי חיצוני מחובר. בטק ממחיש מקדם טמפרטורה יוצאת דופן של 4.1 mV/K ו חום גבוה לחשמל המרה יעילות של 3.32%, עובד ב-TH = 70 ° צ' עם carnot יעילות של 25.3%, חשיפת טכנולוגיה חדשה מבטיחה התרמואלקטרוכימי להתאוששות חום בדרגה נמוכה.

מבוא

בכל מקום אנרגיה ברמה נמוכה (< 100 ° c) יכול להיות ממוחזרים והמרה לחשמל1,2 אבל הוא בזבז. למרבה הצער, שחזור החום הוא עדיין אתגר גדול, כי המרת חום בדרגה נמוכה לחשמל הוא בדרך כלל לא יעיל בשל ההפרש בטמפרטורה נמוכה ואת האופי המופץ של מקורות חום3. מחקר אינטנסיבי נערך במצב מוצק תרמואלקטריים (TE) חומרים ומכשירים בעשורים האחרונים, אבל היישום מדרגי של התקנים TE במשטר חום בדרגה נמוכה מוגבל על ידי יעילות המרה נמוכה אנרגיה (ηE) של < 2%4.

גישות חלופיות המבוססות על השפעת הטמפרטורה על תאים אלקטרוכימי הוצעו כפתרון לבעיה זו, מכיוון שמקדם מקדם בתאי התרמואלקטרוכימי (α) הוא הרבה יותר גבוה מזה של TE מוליכים למחצה5,6. תאים תרמוגלוון (TGC) מנצלים את האלקטרוליטים הפעילים מחדש בין שני אלקטרודות זהות כדי ליצור מתח על פני התא בעת החלת מעבר תרמי. הנפוץ מימית Fe (cn)63-/Fe (cn)64- אלקטרוליט ב tgcs דווח כי יש α של-1.4 mV/K ותשואה ηE של < 1%7,8,9,10,11. עם זאת, TGCs סובלים את החיסרון של המוליכות היונית המסכנה של האלקטרוליט הנוזלי, שהוא סביב שלוש הזמנות של סדר גודל קטן יותר מאשר מוליכות אלקטרונית בחומרים TE. ניתן לשפר את המוליכות החשמלית, אך שיפור זה מלווה תמיד במוליכות תרמית גבוהה יותר, המובילה לטמפרטורת הצבע הנמוכה יותר. לפיכך, ηE של tgcs מוגבל באופן מיסודו בשל הסחר בין מוליכות האלקטרוליט הנוזלי לבין דרישת הטמפרטורה לתגובות התגובה הרצויה בכל צד של האלקטרודה.

המחזור האלקטרו-מרגאלי (trec)12,13,14 מבוסס על מערכת הסוללה באמצעות שימוש מוצק נחושת המגלית (cuhcf) קתודה ו cu/cu+ אנודת נמסר לאחרונה. Trec מוגדר כתא כיס כדי לשפר את מוליכות האלקטרוליט, מראה α של-1.2 mV/K ולהגיע גבוה ηE של 3.7% (21% של ηקרנו) כאשר מופעל ב 60 ° c ו 10 ° c. עם זאת, מגבלה אחת של TREC היא כי החשמל החיצוני נדרש בתחילת התהליך כדי לחייב את האלקטרודות בכל מחזור תרמי, המוביל עיצובים מערכת מסובכים14. מגבלה זו אינה ניתנת להשגה, אך היא סובלת מיעילות המרה ירודה של < 1%13. מערכת ה-TREC ממחישה כי סוללה משנית של הנתרן (SIB)-סוג תא תרמותאי המורכב משני סוגים של אנגוס כחול פרוסי (PBA) עם ערכי α שונים יכולים הקציר חום פסולת. היעילות התרמית (η) מגדילה באופן פרופורציונלי עם ΔT. יתר על כן, η מגיע 1.08%, 3.19% ב ΔT = 30 K, 56 K בנפרד. הציקלוני תרמי משופר באמצעות Ni-תחליפי pba15,16,17,18.

לחילופין, סוללת אמוניה מחודשת תרמית (trab) מעסיקה זוגות מבוססי נחושת החמצון [cu (NH3)42 +/cu ו Cu (II)/cu] כי לפעול עם הטמפרטורה הפוכה הדרגתי על ידי מיתוג את הטמפרטורה של אלקטרוליט שיתוף עם אלקטרודות חיוביות ושליליות, אשר מייצרת ηE של 0.53% (13% של ηקרנו עם זאת, מערכת זו מוגדרת עם שני טנקים מלא אלקטרוליט נוזלי, גרימת חימום וקירור באיטיות. כמו כן, זרם האמוניה במערכת יוצר חששות לגבי בטיחות, דליפה, ויציבות19,20,21.

כאן אנו מציגים תא תרמוכימי (בטק) אסיאני (בעתק) להמרת חום-לחשמל, שניתן לטעון בחום וחשמלית על-ידי חימום איזותרמי רציף מבלי לשמור על הדרגתי טמפרטורה בתצורה גיאומטרית או להחליף טמפרטורות במחזור תרמי. הבטק משתמש באלקטרודות אסימטריים, כולל הקתודה (GO) והוא האלקטרוליט (PANI) אנאודה, ו-KCl כמו האלקטרוליטים. זה טעון בחום באמצעות השפעה תרמו מדומה קיבולי של GO ולאחר מכן שוחרר עם תגובת חמצון של PANI. בעיקר, בטק מציג הα גבוהה של 4.1 mV/K ומשיגה ηE של 3.32%, הגבוה ביותר אי פעם השיגה ב 70 ° צ' (25.3% ηcarnot).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. הכנת האלקטרודות לתחמוצת הגראפן

  1. סינתזה של תחמוצת הגראפן באמצעות שיטת ההאמר המתוקנת
    1. שלבים 1.1.2 ו-1.1.3 מתרחשים בטמפרטורה נמוכה (< 0 ° c). הפיצו את מי הקרח זורמים דרך השכבה החיצונית של גביע זכוכית כפולה הממוקמת על מערבב מגנטי כדי ליצור תנאי טמפרטורה נמוכה עבור המגיבים בתוך.
    2. מערבבים 1 גר' נתרן חנקתי (NaNO3) עם 100 מ ל של חומצה גופרתית (H2SO4, מגיב כיתה, 95-98%) באמצעות ערבוב איטי בגביע.
    3. מוסיפים 1 גר' גרפיט לחומצה הגופרתית ומערבבים בשביל 1 h באמבט הקר. הוסף 6 גר' אשלגן פרמנגנט (KMnO4) בהדרגה לפתרון ומערבבים את התערובת עבור אחר 2 h.
    4. השלב הבא של התגובה מתרחש בטמפרטורה האמצעית (~ 35 ° c). לשנות את המים קרח כדי 35 מים ° c ולהמשיך את החמצון של הגרפיט על ידי ערבוב עבור 1/2 h.
    5. השלב האחרון של התגובה מתרחש ב TH (80-90 ° c). הוסף 46 מ ל של מים מוכי (70 ° c) לתוך מיכל התגובה ירידה על ידי ירידה. . שימו לב שהתגובה חזקה הוסף 140 mL של מים DI 20 מ ל של מי חמצן (30% H2O2) במיכל התגובה כשלב האחרון של התגובה. ודא שחלקיקי הזהב של GO מופיעים כתוצאה מכך.
    6. לשטוף את המוצר ביסודיות עם חומצה הידרוכלורית מדלל (HCl) ו-DI מים מספר פעמים עד ההשעיה GO מגיע pH = 7.
    7. יש להקפיא את התליה למשך הלילה ולייבש אותו במייבש הקפאה עד שהמים מתאדה לחלוטין.
  2. הכנת האלקטרודה של תחמוצת הגראפן
    1. מערבבים את תחמוצת הגראפן, פחמן שחור, ו PVDF ביחס המוני של 75:15:10 ולשים אותם בבקבוק זכוכית. לטפטף את הממס N-מתיל-2-פירורול (NMP) לתוך תערובת מוצק ולהבטיח את יחס המשקל של הממס ואת התערובת מוצק הוא 4:1.
    2. הכינו את ההדבקה על-ידי ערבוב ב-2,000 סל ד למשך 13 דקות וביטול קצף ב 1,200 סל"ד עבור 2 דקות עם מערבל.
    3. מברשת מעיל הדבקה על נייר פחמן עד המעיל הוא ~ 8-15 מ"ג/cm2 ויבש אותו עבור 4 h ב 40 ° c.

2. הכנת אלקטרודה פוליאנילין (PANI)

  1. להכין 1 wt% carboxyמתיל תאית (CMC) פתרון מימית על ידי המסת אבקת CMC ב-DI מים על ידי ערבוב עבור 10 h.
  2. לערבב 50 מ"ג של leucoemeraldine בסיס PANI ו 10 מ"ג של פחמן שחור בגביע. הוסף 150 μL של 1 wt% הפתרון CMC לתוך הגביע ולערבב עם מערבב מגנטי עבור 12 h.
  3. הוסף 6 μL של 40% יריעות בוטדיאן (SBR) הפתרון לתוך התערובת ומערבבים עבור עוד 15 דקות.
  4. מניחים פיסת נייר פחמן על coater להב הרופא ושחרר את PANI לערבב מעורב בקצה המוביל של נייר הפחמן.
  5. בלייד מעיל את לצפות לייצר סרט 400 יקרומטר עבה על נייר הפחמן. מייבשים את הציפוי ל -4 מעלות ב 50 ° c.

3. הרכבת תא הנרתיק

  1. גזור רדיד טיטניום לתוך גודל האישור ולאחר מכן לחבר כל פיסת ללשונית ניקל עם 20 kHz מכונת ריתוך בנקודה.
  2. מניחים את המפריד הנקבובי מבוסס פוליפרופילן הידרופילי בין האלקטרודה GO לבין האלקטרודה PANI כדי למנוע מעגלים קצרים. כל אלקטרודה משויכת לאספן נוכחי אחד.
  3. אריזת האלקטרודות באמצעות סרט אלומיניום למינציה. חותם את הצדדים של סרט אלומיניום למינציה עם חותם ואקום קומפקטי עבור 4 s. הגדר את הטמפרטורה של חלקי האיטום העליונים והתחתונים כ180 ° c ו-160 ° c בנפרד.
  4. הכנס 500 μL של האלקטרוליט 1 מטר לתוך תא הכיס ולאפשר שאיפה עבור 10 דקות.
  5. הגבר את האלקטרוליט העודף ואטום את הצד האחרון של תא הכיס בחדר הריק 80 kPa.

4. התקנת מערכת השליטה בטמפרטורה

  1. מחסנית תא הכיס בין שני מודולים תרמואלקטריים. מניחים זוגות תרמיים בצדדים העליונים והתחתונים של התא. החלת הדבקה תרמית על כל הממשקים כדי להבטיח מגע תרמי טוב.
    הערה: הטמפרטורה נשלטת באמצעות קוד LabVIEW. הטמפרטורות הנמדדות מושוות בטמפרטורות ההגדרה ומתח הפלט נקבע על ידי ההפרש בין טמפרטורת הזמן האמיתי והגדרת הטמפרטורה באמצעות בקרת PID. אותות המתח מועברים לספק הכוח ומחוברים למודול התרמואלקטרי. בקרת לולאה סגורה מבטיחה דיוק מדידת טמפרטורה בתוך ± 0.5 ° c.

5. אפיון אלקטרוכימי

  1. בצע את הבדיקות האלקטרוכימי של התא באמצעות פוטנציאל. בצע את הטעינה התרמית במצב מעגל פתוח תוך כדי ביצוע תהליך הצריבה החשמלית בזרם קבוע.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

תא הפאוץ ' של בטק הוגדר עם אלקטרודות אסימטריים המורכבת מקתודה גו, PANI anode, ומלאה באלקטרוליט של KCl. עובי תא הכיס המוצג באיור 1A הוא 1 מ"מ, אשר מקלה על תנאי איזותרמי בין שתי אלקטרודות כמו גם הולכה חום יעיל. מיקרוסקופ אלקטרוני סריקה (SEM) תמונות של קתודה גו ו PANI אנודת מצופה על נייר הפחמן מופיעים באיור 1B ואיור 1ג. המבנה הנקבובי מגביר את אזור המגע ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

העתק ממיר את האנרגיה התרמית לחשמל באמצעות תהליך טעינה תרמי כאשר החימום מ-RT ל-H ותהליך השטית החשמלי הרצופים ב-th. להיפטר התלות על הדרגתי טמפרטורה או מחזור טמפרטורה כמו TGC ו TREC, בטק מאפשר איזותרמי חימום במהלך תהליך טעינה כולה ומשחרר. מתח תרמי המושרה מבוסס על ההשפעה הפסבדו קיבולי של GO כי החימום מקל על כימוזיה של הפרוטונים על קבוצות החמצן פונקציונלי של GO, גורם התגובה מדומה מדומה בממשק GO-ימית. PANI תורמת מעט למתח המוגבר אך מספקת אלקטרונים בתהליך הפורקים. הניצול של אלקטרוליט KCl שומר על המטען של ממ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים לא מצהירים על אינטרסים פיננסיים מתחרים.

תודות

המחברים מכירים בדיון בונה עם פרופ ' D.Y.C. ליונג וד ר י. חן (אוניברסיטת הונג קונג), פרופ ' M.H.K. ליונג (אוניברסיטת העיר הונג קונג), ד ר ו. ס' ליו (האוניברסיטה הדרומית למדע וטכנולוגיה), ומר פרנק H.T. ליונג (Techskill [אסיה] מוגבל). המחברים מכירים בתמיכה הפיננסית של קרן מחקר כללית של המועצה מענקי המחקר של הונג קונג באזור מינהלי מיוחד, סין, תחת הפרס מספר 17204516 ו 17206518, והקרן חדשנות וטכנולוגיה (Ref: שלה/171/16FX).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
סרט למינציה אלומינהShowa DenkoSPALF C4
פחמן שחוראלפא AesarH30253.22
נייר פחמןCeTech Co. LtdW0S1009
קרבוקסימתיל תאית (CMC)חברת
ספק כוחDC B& K דיוקדגם 913-B
דוקטור להב ציפוינוצץ אנרגיה ושות' בע"מ
GamryGamry InstrumentsReference 3000
גרפיטסיגמא-אולדריץ'332461-2.5 ק"ג
מיקסרThinkyARE-250
כרטיסיית ניקלטיאנג'ין Iversonchem חברה4 מ"מ רוחב
N-מתיל-2-פירולידון (NMP)סיגמא-אולדריץ'443778-1L
פוליאנילין (בסיס לאוקואמרלדין)סיגמא-אולדריץ'530670-5G
אשלגן פרמנגנט (KMnO4)סיגמא-אולדריץ'223468-500G
מפרידCLDP25 אום
עובי נתרן חנקתי (NaNO3)סיגמא-אולדריץ'S5506-250G
סטירן בוטאדיאןטיאנג'ין Iversonchem חברהBM400
חומצה גופרתיתסיגמא-אולדריץ'320501-2.5L
מודולים תרמו-אלקטרייםCUI Inc.
רדיד טיטנוםמתכתבעובי 0.03 מ"מ
GuidechemCP455535H צ'ינגיואן

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

גלה מאמרים נוספים

שחזור חום בדרגה נמוכהקתודת גרפן אוקסיידאנודת פוליאנליןאלקטרוליט של אשלגן כלורידמקדם טמפרטורההמרה של חום לחשמלטעינה תרמיתפריקה חשמלית
תא תרמוכימי אסימטרית לקצירת חום בדרגה נמוכה תחת פעולת איזותרמי
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.