Ett team av forskare som leds av University of Maryland har skapat en värme-till-elektricitetsenhet som drivs på joner och som en dag kan utnyttja kroppens värme för att ge energi.

Leds av UMD-forskarna Liangbing Hu, Robert Briber och Tian Li vid institutionen för materialvetenskap, och Siddhartha Das från maskinteknik, teamet förvandlade en träbit till ett flexibelt membran som genererar energi från samma typ av elektrisk ström (joner) som människokroppen drivs på. Denna energi genereras med hjälp av laddade kanalväggar och andra unika egenskaper hos träets naturliga nanostrukturer. Med denna nya träbaserade teknik, de kan använda en liten temperaturskillnad för att effektivt generera jonspänning, som framgår av en artikel som publicerades den 25 mars i tidskriften Naturmaterial .

Om du någonsin har varit ute under åskväder, du har sett att det är lätt att generera laddning mellan två mycket olika temperaturer. Men för små temperaturskillnader, det är svårare. Dock, teamet säger att de har lyckats tackla denna utmaning. Hu sa att de nu har "visat sin proof-of-concept-enhet, att skörda lågvärdig värme med hjälp av nanojoniskt beteende hos bearbetade nanostrukturer av trä".

Träd växer kanaler som flyttar vatten mellan rötterna och löven. Dessa består av fraktalt mindre kanaler, och på nivån av en enda cell, kanaler bara nanometer eller mindre tvärs över. Teamet har utnyttjat dessa kanaler för att reglera joner.

Forskarna använde basswood, som är ett snabbväxande träd med låg miljöpåverkan. De behandlade träet och tog bort två komponenter – lignin, som gör träet brunt och ger styrka, och hemicellulosa, som slingrar sig runt cellskikten som binder samman dem. Detta ger den återstående cellulosan dess signaturflexibilitet. Denna process omvandlar också cellulosans struktur från typ I till typ II, vilket är nyckeln till att förbättra jonledningsförmågan.

Ett membran, gjord av en tunn skiva trä, var kantad av platinaelektroder, med natriumbaserad elektrolyt infiltrerad i cellulosan. De reglerar jonflödet inuti de små kanalerna och genererar elektrisk signal. "De laddade kanalväggarna kan etablera ett elektriskt fält som uppträder på nanofibrerna och på så sätt hjälpa till att effektivt reglera jonrörelse under en termisk gradient, sa Tian Li, tidningens första författare. .

Li – som utsågs till en av Forbes "30 Under 30" i energi 2018 – sa att natriumjonerna i elektrolyten förs in i de inriktade kanalerna, vilket möjliggörs genom kristallstrukturomvandlingen av cellulosa och genom dissociering av ytfunktionella grupper.

"Vi är de första som visar att denna typ av membran, med dess vidsträckta uppsättningar av inriktad cellulosa, kan användas som ett högpresterande jonselektivt membran av nanofluidik och molekylär strömning och utökar kraftigt tillämpningarna av hållbar cellulosa till nanojonik, sa Li och sammanfattade deras tidning.