Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Isothermal Operasyon Altında Düşük Dereceli Isı Hasat Için Asimetrik Termoelektrokimyasal Hücre

7.1K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/60768

⸱

5 Şubat 2020

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

* These authors contributed equally

Bu makalede

Özet

Düşük dereceli ısı bol, ama verimli kurtarma hala büyük bir sorundur. Elektrolit olarak KCl ile bir anot olarak katot ve polyanilin olarak grafen oksit kullanarak bir asimetrik termoelektrokimyasal hücre rapor. Bu hücre, düşük sıcaklıklı bölgelerde yüksek ısı-elektrik dönüşüm verimliliği sergileyen, isotermal ısıtma altında çalışır.

Özet

Düşük dereceli ısı, atık ısı olarak çevrede bol miktarda bulunur. Düşük dereceli ısının elektriğe verimli bir şekilde dönüştürülmesi çok zordur. Termal degrade veya termal döngüden yararlanmadan şarj ve boşaltma işlemlerinde isotermal çalışma altında ısı-elektrik dönüşümü için asimetrik bir termoelektrokimyasal hücre (aTEC) geliştirdik. ATEC grafen oksit (GO) katot, bir poliyanin (PANI) atodu ve elektrolit olarak 1M KCl oluşur. Hücre, oda sıcaklığından (RT) yüksek sıcaklığa (TH, ~40-90 °C) ısıtılırken GO'nun psödokapasif reaksiyonu nedeniyle bir gerilim oluşturur ve harici bir elektrik yükü bağlandığında pani oksitlenerek akım art arda üretilir. ATEC, 4,1 mV/K'lık dikkate değer bir sıcaklık katsayısı ve %3,32'lik yüksek ısı-elektrik dönüşüm verimi göstererek, TH = 70 °C'de %25,3'lük carnot verimliliğiyle çalışarak düşük dereceli ısı geri kazanımı için umut verici yeni bir termoelektrokimyasal teknolojiyi ortaya koymaktadır.

Giriş

Her yerde bulunan düşük dereceli ısı enerjisi (<100 °C) geri dönüştürülebilir ve elektriğe dönüştürülebilir1,2 ama bunun yerine boşa harcanır. Ne yazık ki, ısı geri kazanımı hala büyük bir sorundur, çünkü düşük dereceli ısıyı elektriğe dönüştürmek genellikle düşük sıcaklık farkı ve ısı kaynaklarının dağıtılmış doğası nedeniyle verimsizdir3. Son yıllarda katı hal termoelektrik (TE) malzeme ve cihazlarında yoğun araştırmalar yapılmıştır, ancak DÜŞÜK dereceli ısı rejiminde TE cihazlarının ölçeklenebilir uygulaması düşük enerji dönüşüm verimliliği(ηE)ile sınırlıdır <2%4.

Termoelektrokimyasal hücrelerin (TECs) iyonik Seebeck katsayısı (α) TE yarı iletkenler5,6çok daha yüksek olduğundan, elektrokimyasal hücreler üzerinde sıcaklık etkisine dayalı alternatif yaklaşımlar, bu soruna bir çözüm olarak önerilmiştir. Termogalvanik hücreler (TGC), termal degrade uygulandığında hücre boyunca voltaj oluşturmak için iki özdeş elektrot arasında sıkışmış redoks aktif elektrolitler kullanır. Yaygın olarak kullanılan sulu Fe(CN)63-/Fe(CN)64- TGC'lerde elektrolitin α -1.4 mV/K'ye sahip olduğuve %7 ,8,9,10,11'lik bir α'ya sahip olduğu bildirilmiştir. Ancak, TGC'ler sıvı elektrolitin kötü iyonik iletkenliğinin dezavantajına maruz kalırlar, bu da TE malzemelerindeki elektronik iletkenlikten yaklaşık üç derece daha küçüktür. Elektrik iletkenliği geliştirilebilir, ancak bu gelişmeye her zaman daha düşük bir sıcaklık degradesi yol açan daha yüksek bir ısı iletkenliği eşlik ediyor. Bu nedenle, TGC'lerin e'si, sıvı elektrolit iletkenliği ile elektrotun her iki tarafında istenilen redoks reaksiyonları için sıcaklık gereksinimi arasındaki denge nedeniyle doğal olarak sınırlıdır.

Bir termal rejeneratif elektrokimyasal döngüsü (TREC)12,13,14 katı bakır heksakraloferrate (CuHCF) katot ve Cu / Cu+ anodu kullanarak bir pil sistemi dayalı son zamanlarda bildirilmiştir. TREC, elektrolit iletkenliğini iyileştirmek için bir kese hücresi olarak yapılandırılır, α −1.2 mV/K'yi gösterir ve 60 °C ve 10 °C'de çalıştırıldığında %3,7 (ηcarnot'un%21'i) yüksek bir E'ye ulaşır. Bununla birlikte, TREC bir sınırı dış elektrik her termal döngüde elektrotlar şarj etmek için sürecin başında gerekli olmasıdır, karmaşık sistem tasarımları yolaçan 14. Bu sınırlama olmadan bir TREC elde edilebilir, ancak <1%13düşük bir dönüşüm verimliliği muzdarip. TREC sistemi, farklı α değerlerine sahip iki tip Prusya mavisi analoglarından (PBA) oluşan sodyum-iyon ikincil pil (SIB) tipi bir termik hücrenin atık ısıyı hasat edebildiği ortaya koymaktadır. Termal verim (η) ΔT ile orantılı olarak artar. Ayrıca, δt = 30 K, 56 K ayrı ayrı % 1.08, %3.19'a ulaşır. Isı döngüselliği Ni-ikame PBA15,16,17,18kullanılarak geliştirilmiştir.

Alternatif olarak, termal olarak rejeneratif amonyak pili (TRAB) bakır bazlı redoks çiftleri kullanır [Cu(NH3)42+/Cu ve Cu(II)/Cu] elektrolitin sıcaklığını pozitif ve negatif elektrotlarla birlikte değiştirerek ters sıcaklık gradyanı ile çalışır, bu da %0,53 (%13) karnotüretir. Ancak, bu sistem sıvı elektrolit dolu iki tank ile yapılandırılır, yavaş ısıtma ve soğutma neden. Ayrıca, sistemde amonya akışı güvenlik, sızıntı ve istikrar19,20,21ile ilgili endişeler oluşturur.

Burada, geometrik konfigürasyonda bir sıcaklık degradesi tutmadan veya termal döngüde sıcaklıkları değiştirmeden sürekli izotermal ısıtma ile ısıyüklü ve elektriksel olarak deşarj edilebilen ısı-elektrik dönüşümü için asimetrik bir termoelektrokimyasal hücre (aTEC) salıyoruz. ATEC, grafen oksit (GO) katot ve poliyanin (PANI) anodu ve elektrolit olarak KCl dahil olmak üzere asimetrik elektrotlar kullanır. Go'nun termo-psödokapasif etkisi ile ısıl olarak şarj edilir ve pani oksidasyon reaksiyonu ile boşaltılır. Özellikle, aTEC 4,1 mV/K yüksek α sergiler ve% 3,32, şimdiye kadar 70 °C (ηCarnot%25,3) ulaşılan en yüksek bir ηE ulaşır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. Grafen oksit elektrotunun hazırlanması

  1. Modifiye Hummer yöntemi ile grafen oksit sentezi
    1. 1.1.2 ve 1.1.3 adımları düşük sıcaklıkta (<0 °C) gerçekleşir. Bir çift duvar cam kabıdış tabaka üzerinden akan buz suyu dolaşımı içinde reaktanlar için düşük sıcaklık koşulları oluşturmak için bir manyetik karıştırıcı üzerine yerleştirilen.
    2. 1 g sodyum nitrat (NaNO3)ile 100 mL sülfürik asit (H2SO4, reaktif sınıfı, %95-98) karıştırın kabın içinde yavaş karıştırma kullanarak.
    3. Sülfürik asit içine pul grafit 1 g ekleyin ve soğuk banyoda 1 saat karıştırın. Çözeltiye yavaş yavaş 6 g potasyum permanganat (KMnO4)ekleyin ve karışımı 2 saat daha karıştırın.
    4. Reaksiyonun bir sonraki adımı orta sıcaklıkta (~35 °C) gerçekleşir. Buzlu suyu 35 °C suya çevirin ve grafitin oksidasyonunu 1/2 saat karıştırarak devam edin.
    5. Reaksiyonun son adımı TH (80-90 °C) olarak gerçekleşir. Reaksiyon tankına damla damla 46 mL deiyonize (DI) su (70 °C) ekleyin. Reaksiyonun güçlü olduğunu unutmayın. Reaksiyon tankına reaksiyon tankına 140 mL DI su ve 20 mL hidrojen peroksit (%30 H2O2)ekleyin. Go'nun altın parçacıklarının sonuç olarak göründüğünden emin olun.
    6. GO süspansiyonu pH = 7'ye ulaşana kadar ürünü seyreltik hidroklorik asit (HCl) ve DI suyuyla birkaç kez iyice yıkayın.
    7. Yıkanmış GO süspansiyonu bir gecede dondurun ve su tamamen buharlaşana kadar dondurucu kurutucuda kurulayın.
  2. Grafen oksit elektrotunun hazırlanması
    1. Grafen oksit, karbon siyahı ve PVDF'yi 75:15:10'luk bir kütle oranında karıştırın ve cam bir şişeye koyun. Çözücü N-metil-2-pyrrolidone (NMP) katı karışım içine damla ve solvent ve katı karışımın ağırlık oranı 4:1 olduğundan emin olun.
    2. 13 dakika için 2.000 rpm karıştırarak ve bir mikser ile 2 dakika için 1.200 rpm defoaming tarafından hamur hazırlayın.
    3. Fırça kat kat karbon kağıt üzerinde kat ~ 8-15 mg /cm2 ve 4 0 °C'de 4 saat kuru.

2. Polinin (PANI) elektrotun hazırlanması

  1. 10 saat karıştırarak DI suda CMC tozu eriterek 1 wt% karboksimetil selüloz (CMC) sulu çözelti hazırlayın.
  2. Karışımı 50 leucoemeraldine baz PANI mg ve bir beher karbon siyahı 10 mg. Kabın içine 150 μL %1 wt CMC çözeltisi ekleyin ve 12 saat boyunca manyetik karıştırıcı ile karıştırın.
  3. Karışıma %40 stiren-bütadien (SBR) çözeltisinin 6 000'ini ekleyin ve 15 dakika daha karıştırın.
  4. Doktor bıçak coater üzerinde karbon kağıt bir parça yerleştirin ve karbon kağıt ön kenarına karışık PANI bulamaç bırakın.
  5. Blade kat bulamaç karbon kağıt üzerinde 400 μm kalınlığında bir film üretmek için. Kaplamayı 50 °C'de 4 saat kurulayın.

3. Kese hücresinin montajı

  1. Approproat boyutuna titanyum folyo kesin ve sonra bir 20 kHz ultrasonik nokta kaynak makinesi ile bir nikel sekmesine her parça bağlayın.
  2. Kısa devrelerden kaçınmak için gözenekli hidrofilik polipropilen esaslı ayırıcıyı GO elektrotu ile PANI elektrot arasına yerleştirin. Her elektrot bir akım kolektörü ile eşlenir.
  3. Alüminyum lamine film kullanarak elektrotları paketlayın. Alüminyum lamine filmin kenarlarını 4 s. Üst ve alt sızdırmazlık parçalarının sıcaklığını ayrı olarak 180 °C ve 160 °C olarak ayarlayın.
  4. Kese hücresine 1 M KCl elektrolitin 500 μL'sini enjekte edin ve 10 dakika boyunca dengede bekleyin.
  5. Aşırı elektroliti çıkarın ve kese hücresinin son tarafını -80 kPa vakum odasında kapatın.

4. Sıcaklık kontrol sisteminin kurulması

  1. Kese hücresini iki termoelektrik modül arasına dizin. Hücrenin üst ve alt taraflarına termokupl yerleştirin. İyi termal temas sağlamak için tüm arayüzlere termal macun uygulayın.
    NOT: Sıcaklık LabVIEW kodu ile kontrol edilir. Termokupllardan ölçülen sıcaklıklar ayar sıcaklıkları ile karşılaştırılır ve çıkış gerilimi pid kontrolü ile gerçek zaman sıcaklığı ile ayar sıcaklığı arasındaki farka göre belirlenir. Voltaj sinyalleri güç kaynağına iletilir ve termoelektrik modüle bağlanır. Kapalı devre kontrol ± 0.5 °C içinde bir sıcaklık ölçüm doğruluğu garanti eder.

5. Elektrokimyasal karakterizasyon

  1. Bir potansiyostat kullanarak hücrenin elektrokimyasal testlerini yapın. Elektrik boşaltma işlemini sabit bir akımda gerçekleştirirken ısışarjı açık devre modunda gerçekleştirin.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

ATEC kese hücresi, GO katodu, pani atodu içeren asimetrik elektrotlarla yapılandırıldı ve KCl elektroliti ile dolduruldu. Şekil 1A'da gösterilen kese hücresinin kalınlığı 1 mm olup, bu da iki elektrot arasındaki isotermal koşulları ve etkin ısı iletimini kolaylaştırır. GO katot ve karbon kağıda kaplanmış PANI anotun taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri Şekil 1B ve Ş...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

aTEC, RT'den TH'ye ısıtma sırasında termal bir şarj işlemi ve TH'deart arda elektrik boşaltma işlemi ile termal enerjiyi elektriğe dönüştürür. Bir sıcaklık degradesine veya TGC ve TREC gibi bir sıcaklık döngüsüne olan bağımlılıktan kurtulan aTEC, tüm şarj ve boşaltma işlemleri sırasında isothermal ısıtma işlemine olanak tanır. Isıl ısıl uyarılmış gerilim GO'nun psödokapasi etkisine dayanır, çünkü ısıtma, protonların GO'nun oksijen fonksiyonel grupları üzerindeki kemizorpsiyonlarını kolaylaştırır ve ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarlar hiçbir rakip mali çıkarları beyan.

Teşekkürler

Yazarlar Prof. D.Y.C. Leung ve Dr. Y. Chen (Hong Kong Üniversitesi), Prof. M.H.K. Leung (Hong Kong Şehir Üniversitesi), Dr. W. S. Liu (Güney Bilim ve Teknoloji Üniversitesi) ve Bay Frank H.T. Leung (Techskill [Asia] Limited) ile yapıcı bir tartışma kabul etmektedirler. Yazarlar, 17204516 ve 17206518 ödül numarası ve Yenilik ve Teknoloji Fonu (Ref: ITS/171/16FX) altında Hong Kong Özel İdare Bölgesi Araştırma Hibeleri Konseyi Genel Araştırma Fonu'nun mali desteğini kabul etmektedirler.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Alümina lamine filmShowa DenkoSPALF C4
Karbon siyahıAlfa AesarH30253.22
Karbon kağıdıCeTech Co. LtdW0S1009
Karboksimetil selüloz (CMC)Guidechem şirketi
DC Güç kaynağıB & K HassasModel 913-B
Doktor bıçak kaplayıcıShining Energy Co., Ltd
GamryGamry InstrumentsReferans 3000
GrafitSigma-Aldrich332461-2.5KG
MikserThinkyARE-250
Nikel sekmesiTianjin Iversonchem şirketi4 mm genişlik
N-Metil-2-pirolidon (NMP)Sigma-Aldrich443778-1L
Polianilin (lökoemeraldin bazı)Sigma-Aldrich530670-5G
potasyum permanganat (KMnO4)Sigma-Aldrich223468-500G
AyırıcıCLDP25 um kalınlık
Sodyum nitrat (NaNO3)Sigma-AldrichS5506-250G
Stiren bütadienTianjin Iversonchem şirketiBM400
Sülfürik asitSigma-Aldrich320501-2.5L
Termoelektrik modüllerCUI Inc.
Titanum folyoQingyuan metal0.03 mm kalınlık
CP455535H

Kaynaklar

  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Daha fazla makale keşfet

Düşük Dereceli Isı Geri KazanımıGrafen Oksit KatotPolianilin AnotPotasyum Klorür ElektrolitiSıcaklık KatsayısıIsı-Elektrik DönüşümüTermal ŞarjElektriksel Deşarj
Isothermal Operasyon Altında Düşük Dereceli Isı Hasat Için Asimetrik Termoelektrokimyasal Hücre
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.