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.
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.
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»).
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 и?…
The authors have nothing to disclose.
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).
Alumina laminated film | Showa Denko | SPALF C4 | |
Carbon black | Alfa Aesar | H30253.22 | |
Carbon paper | CeTech Co. Ltd | W0S1009 | |
Carboxymethyl cellulose (CMC) | Guidechem company | ||
DC Power supply | B&K Precision | Model 913-B | |
Doctor blade coater | Shining Energy Co. Ltd | ||
Gamry | Gamry Instruments | Reference 3000 | |
Graphite | Sigma-Aldrich | 332461-2.5KG | |
Mixer | Thinky | ARE-250 | |
Nickel tab | Tianjin Iversonchem company | 4 mm width | |
N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) | Sigma-Aldrich | 443778-1L | |
Polyaniline (leucoemeraldine base) | Sigma-Aldrich | 530670-5G | |
potassium permanganate (KMnO4) | Sigma-Aldrich | 223468-500G | |
Separator | CLDP | 25 um thickness | |
Sodium nitrate (NaNO3) | Sigma-Aldrich | S5506-250G | |
Styrene butadiene | Tianjin Iversonchem company | BM400 | |
Sulfuric acid | Sigma-Aldrich | 320501-2.5L | |
Thermoelectric modules | CUI Inc. | CP455535H | |
Titanum foil | Qingyuan metal | 0.03 mm thickness |