Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Асимметричная термоэлектрохимическая клетка для сбора низкосортного тепла в рамках истермальной операции

7.1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/60768

⸱

5 февраля 2020 г.

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

* These authors contributed equally

В этой статье

Краткое содержание

Низкосортная жара в изобилии, но его эффективное восстановление по-прежнему является большой проблемой. Мы сообщаем об асимметричной термоэлектрохимической ячейке, используюй оксид графена в качестве катода и полианилин в качестве анода с KCl в качестве электролита. Эта ячейка работает под изотермическим отоплением, демонстрируя высокую тепло-электроэнергию эффективности преобразования в низкотемпературных регионах.

Аннотация

Низкосортное тепло в изобилии доступно в окружающей среде как отходы тепла. Эффективное преобразование низкосортного тепла в электричество очень сложно. Мы разработали асимметричную термоэлектрохимическую ячейку (аТЭК) для преобразования тепла в электричество при изотермальной работе в процессах зарядки и разгрузки без использования теплового градиента или теплового цикла. ATEC состоит из катода оксида графена (GO), полианилинового (PANI) анода и 1М KCl в качестве электролита. Клетка генерирует напряжение из-за псевдокапацитной реакции GO при нагревании от комнатной температуры (RT) до высокой температуры (TH,40-90 градусов по Цельсию), а затем ток последовательно производится путем окисления PANI при подключении внешней электрической нагрузки. ATEC демонстрирует замечательный температурный коэффициент 4,1 мВ/К и высокую эффективность преобразования тепла в электричество 3,32%, работая на TH и 70 c с эффективностью Carnot 25,3%, представляя новую перспективную термоэлектрохимическую технологию для низкосортного восстановления тепла.

Введение

Повсеместная низкосортная тепловая энергия (Злт;100 кВ) может быть переработана и преобразована в электричество1,2, но вместо этого впустую. К сожалению, восстановление тепла по-прежнему является большой проблемой, потому что преобразование низкосортного тепла в электричество, как правило, неэффективны из-за дифференциала низкой температуры и распределенного характера источников тепла3. Интенсивные исследования проводились в твердотельных термоэлектрических (TE) материалах и устройствах в течение последних десятилетий, но масштабируемоеприменение устройств TE в низкосортном тепловом режиме ограничено низкой эффективностью преобразования энергии(E) из Злт;2%4.

Альтернативные подходы, основанные на воздействии температуры на электрохимические клетки, были предложены в качестве решения этой проблемы, так как ионный коэффициент Seebeck (я) термоэлектрохимических элементов (ТЭЦ) намного выше, чем у полупроводников Т5,6. Термогальванические клетки (ТГК) используют активные электролиты Redox, зажатые между двумя идентичными электродами, для генерации напряжения по всей клетке при применении теплового градиента. Широко используемый aqueous Fe (CN)63-/Fe (CN)64- электролит агт. TGCs, как сообщается, имеет -1,4 мВ/К и даетE из йlt;1%7,8,10,11. Тем не менее, TGCs страдают от недостатка плохой ионной проводимости жидкого электролита, который примерно на три порядка меньше, чем электронная проводимость в материалах TE. Электрическая проводимость может быть улучшена, но это улучшение всегда сопровождается более высокой теплопроводностью, что приводит к более низкому температурному градиенту. Таким образом, E TGCs по своей сути ограничен из-за компромисса между проводлением жидкого электролита и температурным требованием для желаемых реакций redox в каждой стороне электрода.

Недавно сообщалось о термически регенеративном электрохимическом цикле (TREC)12,13,14 на основе аккумуляторной системы с использованием твердого медного гексациаторрата (CuHCF) и анода Cu/Cu. TREC настроен как ячейка мешка для улучшения проводимости электролита, показывая й 1,2 мВ/K и достигая максимумаE 3,7% (21% откарно)при эксплуатации при 60 градусах ИК и 10 кВ. Тем не менее, одним из ограничений TREC является то, что внешняя электроэнергия требуется в начале процесса для зарядки электродов в каждом тепловом цикле, что приводит к сложным конструкциям системы14. TREC без этого ограничения может быть достигнуто, но он страдает от низкой эффективности преобразования lt;1%13. Система TREC показывает, что термоэлемент натрия иионного типа (SIB), состоящий из двух типов прусских синих аналогов (PBA) с различными значениями, может собирать отходы тепла. Тепловая эффективность (к) увеличивается пропорционально с ЗТ. Кроме того, q достигает 1,08%, 3,19% при qT 30 K, 56 K отдельно. Тепловая цикличность улучшается с помощью Ni-заменители PBA15,16,17,18.

Кроме того, термически регенеративной аммиачной батареи (TRAB) использует медь основе redox пары »Cu (NH3)42 "/Cu(II) / Cu" / Cu ", которые работают с реверсивным градиентом температуры путем переключения температуры электролита совместно с положительными и отрицательными электродами, который производит E 0,53% (13% откарона). Однако эта система настроена с двумя резервуарами, полными жидкого электролита, вызывая вялое нагревание и охлаждение. Кроме того, поток аммиака в системе создает проблемы, связанные с безопасностью, утечки и стабильности19,20,21.

Здесь мы представляем асимметричную термоэлектрохимическую ячейку (aTEC) для преобразования тепла в электричество, которая может быть термически заряжена и электрически разряжается непрерывным изотермическим нагреванием без поддержания температурного градиента в геометрической конфигурации или переключения температур в тепловом цикле. ATEC использует асимметричные электроды, включая катод оксида графена (GO) и полианилин (PANI) анод, и KCl в качестве электролита. Он термически заряжается через термо-псевдокапацитивный эффект GO, а затем разряжается с реакцией окисления PANI. Примечательно, что aTEC демонстрирует высокий й 4,1 мВ/К и достигает 3,32%, самого высокого уровня, когда-либо достигнутого на уровне 70 градусов по Цельсию (25,3% от«Карно»).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Подготовка электрода оксида графена

  1. Синтез оксида графена с помощью модифицированного метода Хаммера
    1. Шаги 1.1.2 и 1.1.3 происходят при низкой температуре (0 градусов по Цельсию). Циркулируйте ледяную воду, протекающую через внешний слой двойного стеклянного стакана, помещенного на магнитный мешалку для создания низких температурных условий для реагентов внутри.
    2. Смешайте 1 г нитрата натрия (NaNO3) со 100 мл серной кислоты (H2SO4,реагентный класс, 95-98%) с помощью медленного помешивания в стакане.
    3. Добавьте 1 г графита хлопья в серную кислоту и перемешайте 1 ч в холодной ванне. Добавить 6 г перманганата калия (KMnO4) постепенно к раствору и перемешать смесь еще на 2 ч.
    4. Следующий шаг реакции происходит при средней температуре (35 градусов по Цельсию). Измените ледяную воду до 35 градусов цельсия воды и продолжить окисление графита, помешивая в течение 1/2 ч.
    5. Последний этап реакции происходит при TH (80-90 градусов по Цельсию). Добавьте 46 мл деионированной (DI) воды (70 градусов по Цельсию) в капля за каплей за каплей. Обратите внимание, что реакция сильна. Добавьте 140 мл воды DI и 20 мл перекиси водорода (30% Н2O2) в баке реакции в качестве последнего шага реакции. Убедитесь, что в результате появляются золотые частицы GO.
    6. Тщательно вымойте продукт разбавленной соляной кислотой (HCl) и DI водой несколько раз, пока подвеска GO не достигнет рН No 7.
    7. Заморозить промытую подвеску GO на ночь и высушить ее в замораживании сушилки, пока вода не испарится полностью.
  2. Приготовление электрода оксида графена
    1. Смешайте оксид графена, углеродный черный, и PVDF в массовом соотношении 75:15:10 и положить их в стеклянную бутылку. Капать растворитель N-метил-2-пирролидон (NMP) в твердую смесь и обеспечить соотношение веса растворителя и твердой смеси 4:1.
    2. Подготовка пасты путем смешивания на 2000 об/ ч в течение 13 мин и defoaming в 1200 об /мин в течение 2 мин с миксером.
    3. Кисть пальто пасты на углеродной бумаге, пока слой не будет 8-15 мг /см2 и высушить его в течение 4 ч при 40 градусах Цельсия.

2. Подготовка полианилина (ПАНИ) электрода

  1. Подготовка 1 WT% карбоксиметил целлюлозы (CMC) aqueous решение путем растворения CMC порошок в воде DI, помешивая в течение 10 ч.
  2. Смешайте 50 мг лейкоирудирмин-базы PANI и 10 мг углеродного черного в стакане. Добавьте 150 л из 1 wt% CMC раствора в стакан и смешать с магнитным мешалкой для 12 ч.
  3. Добавьте в смесь 6 qL из 40% стирола-бутадиена (SBR) раствора и перемешайте еще 15 мин.
  4. Поместите кусок углеродной бумаги на лезвие доктора пальто и падение смешанного PANI суспензии на переднем крае углеродной бумаги.
  5. Лезвие пальто суспензии для производства пленки 400 мкм толщиной на углеродной бумаге. Высушите покрытие в течение 4 ч при 50 градусах Цельсия.

3. Сборка ячейки мешка

  1. Вырежьте титановую фольгу до приблизительного размера, а затем соедините каждую часть к никеля вкладке с ультразвуковой сварочной машиной 20 кГц.
  2. Поместите пористый гидрофильный полипропилен на основе сепаратора между электродом GO и электродом PANI, чтобы избежать короткого замыкания. Каждый электрод в паре с одним током коллектора.
  3. Упакуем электроды с помощью алюминиевой ламинированной пленки. Запечатайте стороны алюминиевой ламинированной пленки компактным вакуумным уплотнителем на 4 с. Установите температуру верхних и нижних уплотняющих частей как 180 градусов по Цельсию и 160 градусов по Цельсию отдельно.
  4. Введите 500 л электролита 1 M KCl в клетку мешка и дайте уравновесить в течение 10 минут.
  5. Вынизвините избыток электролита и запечатайте последнюю сторону клетки мешка в вакуумной камере -80 кПа.

4. Настройка системы контроля температуры

  1. Стек мешок ячейки между двумя термоэлектрических модулей. Поместите термопары на верхней и нижней сторонах клетки. Нанесите тепловую пасту на все интерфейсы, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Температура контролируется с помощью кода LabVIEW. Температуры, измеренные из термопар, сравниваются с температурой установления, а выходное напряжение определяется разницей между температурой в реальном времени и установлением температуры с помощью контроля PID. Сигналы напряжения передаются на источник питания и подключаются к термоэлектрическому модулю. Управление замкнутым циклом гарантирует точность измерения температуры в пределах 0,5 градусов по Цельсию.

5. Электрохимическая характеристика

  1. Выполните электрохимические тесты клетки с помощью потентиостата. Проведение тепловой зарядки в режиме открытой цепи при проведении процесса электрической разгрузки при постоянном токе.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Ячейка aTEC была настроена с асимметричными электродами, состоящими из катода GO, анода PANI, и заполнена электролитом KCl. Толщина ячейки мешка, показанная на рисунке 1А, составляет 1 мм, что облегчает изотермальные условия между двумя электродами, а также эффективную теплопроводу. Сканирование электронной микроскопии (SEM) изображения катода GO и анода PANI, покрытые углеродной бумагой, показаны на рисунке 1

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

ATEC преобразует тепловую энергию в электричество через процесс тепловой зарядки при нагревании от RT до TH и последовательном процессе электрической разгрузки на TH. Как избавиться от зависимости от температурного градиента или температурного цикла, как TGC и TREC, aTEC позволяет изотермальной работы отопления в течение всего зарядки и разрядки процессов. Тепловое индуцированное напряжение основано на псевдокапацитивном эффекте GO, поскольку нагревание облегчает химиоорпирование протонов на кислоро...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не заявляют о каких-либо конкурирующих финансовых интересах.

Благодарности

Авторы признают, что конструктивное обсуждение с профессором Д.Я.К. Леунгом и д-ром И. Ченом (Университет Гонконга), профессором М.Х.К. Леунгом (Городской университет Гонконга), д-ром В. С. Лю (южный университет науки и техники) и г-ном Фрэнком Х.Т. Леунгом (Techskill (Asia) Limited). Авторы признают финансовую поддержку Общего исследовательского фонда Совета по исследовательским грантам Специального административного района Гонконга, Китай, в соответствии с премией No 17204516 и 17206518, и Фонда инноваций и технологий (Ref: ITS/171/16FX).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Глиноземистая ламинированная пленкаShowa DenkoSPALF C4
Carbon blackAlfa AesarH30253.22
Carbonpaper CeTech Co. LtdW0S1009
Карбоксиметилцеллюлоза (CMC)Guidechem company
DC Power supplyB& K PrecisionModel 913-B
ШайнингЭнерджи Ко. Лтд
ГамриГамри ИнструментыАртикул 3000
ГрафитСигма-Олдрич332461-2,5 кг
МиксерThinkyARE-250
Никелевая табулаТяньцзинь Компания Iversonchem 4мм ширина
N-метил-2-пирролидон (NMP)Sigma-Aldrich443778-1L
Полианилин (лейкоэмеральдиновое основание)Sigma-Aldrich530670-5G
перманганат калия (KMnO4)Sigma-Aldrich223468-500G
СепараторCLDPтолщиной 25 мкм
Нитрат натрия (NaNO3)Sigma-AldrichS5506-250G
Бутадиен стиролаТяньцзинь Iversonchem компанияBM400
Серная кислотаSigma-Aldrich320501-2.5L
Термоэлектрические модулиCUI Inc.
CP455535H Титановая фольгаQingyuan металлическаятолщина 0,03 мм

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Рекуперация низкопотенциального теплакатод из оксида графенаанод из полианилинаэлектролит из хлорида калиятемпературный коэффициентпреобразование тепла в электроэнергиютермическая зарядкаэлектрическая разрядка
Асимметричная термоэлектрохимическая клетка для сбора низкосортного тепла в рамках истермальной операции
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.