Figur 1. Jätte termokraft av joniska termoelektriska (i-TE) material. (A) i-TE-material av gelatin- x KCl- m / n FeCN4-/3- ( x är KCl och m / n är K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6 molära koncentrationer, respektive) i detta arbete som gelatin ( x =0 M, m / n =0 M), Gelatin-FeCN4-/3- ( x =0 M, m / n =0,42/0,25 M), Gelatin-KCl ( x =0,8 M, m / n =0 M) och gelatin-KCl-FeCN4-/3- ( x =0,8 M, m / n =0,42/0,25 M, volymförhållande mellan vatten och gelatin r v =2,0 och 3,0). (B) Absolut termokraft av i-TE-material som innehåller termodiffusionseffekten eller den termogalvaniska effekten. Kredit:Southern University of Science and Technology
Banbrytande forskning publicerad i Vetenskap och ledd av Southern University of Science and Technology (SUSTech) har funnit att gelatin kan användas för att driva enheter i framtiden, använder endast den värme som genereras från människokroppen.
Docent Weishu Liu (MSE, SUSTech) har lett sitt forskarlag, i samarbete med professor Gang Chen vid institutionen för maskinteknik, Massachusetts Institute of Technology (MIT), att utveckla en proof-of-concept bärbar enhet som drivs av gelatin. Uppsatsen publicerades online i den akademiska tidskriften med stor genomslagskraft, Vetenskap som första utgåva, under rubriken, "Jätte termokraft av joniskt gelatin nära rumstemperatur, " torsdagen den 30 april, 2020
Majoriteten av termoelektriska material är oorganiska halvledare som kräver ädelmetaller eller processteknik. Forskare har fokuserat på att utforska nya termoelektriska material nära rumstemperatur, som använder Seebeck-effekten för att omvandla termisk energi till elektrisk energi. Användningen av självförsörjande elektroniska termoelektriska enheter kräver integrering av tusentals eller till och med tiotusentals små termoelektriska element på 10–100 mikron, eller inkludera en DC-DC spänningsförstärkare med en kostnad för uteffekttätheten.
Inför spänningsmatchutmaningen, Weishu Liu efterlyste en utforskning av att "gå bortom Seebeck" genom att överväga att använda joner och elektriska domäner som en energibärare, eller andra nya mekanismer för att lösa denna termoelektriska tillämpningsutmaning. Dessa rekommendationer gjordes i hans artikel med titeln "Nya trender, strategier, och möjligheter inom termoelektriska material:ett perspektiv, " publicerad i Material idag Fysik under 2017.
Figur 2. Proof-of-concept för bärbar i-TE-enhet. (A) Dragprovning av i-TE-material. (B) Spänning genererad från en proof-of-concept flexibel i-TE bärbar enhet med 25 unipolära element (5 × 5 × 1,8 mm) i serie burna på baksidan av mänsklig hand. (C) Ström (linje, −), spänning (streckad linje, –), utström (streckad punktlinje, -∙-) kurvor genom att skörda den verkliga kroppsvärmen. (D) Prestandajämförelse i utspänning och effekt för den bärbara enheten genom att använda e-TE-material och quasi-solid state i-TE-material under en verklig mänsklig kroppsbärande kondition. N representerade antalet n/p-typade termoelektriska element i de bärbara enheterna. Kredit:Southern University of Science and Technology
Tidningen som publicerades idag i Vetenskap är en återspegling av många års hårt arbete. Gelatinet i fråga är ett högmolekylärt ämne som finns i ben. Det är eftertraktat av kockar inom ett brett utbud av kök samtidigt som det är en viktig råvara för flera industriella tillämpningar.
Forskargruppen föreslog ursprungligen att en kvasi-solid jonisk gel skulle kunna uppnå en gigantisk termoelektrisk potentialeffekt genom att kombinera effekten av den diffusa entropin av joner och reaktionsentropin hos redoxparet (kemisk reduktion-oxidationsreaktion). De uppnådde en termoeffekt på 17,0 mV K-1 i quasi-solid state joniskt termoelektriskt material, vilket är nästan två storleksordningar högre än det för typiska elektroniska termoelektriska
Forskargruppen sammanställde sedan tjugofem enheter för att representera en proof-of-concept-enhet. Varje enhet sattes ihop till en flexibel bärbar enhet, använda en människokropp för makt. Forskarna kunde uppnå en spänning på upp till 2,2 volt (V) och en maximal uteffekt på 5 μW. Även om det verkar litet, den kan driva sensorerna på de flesta Internet of Things (IoT)-enheter.
Weishu Liu sa, "Den experimentella upptäckten av den gigantiska termoelektriska effekten gav oss glädje, och sedan många frågor. Prof. Gang Chen gav oss de grundläggande riktlinjerna för att besvara varje fråga en efter en. Det tillät oss också att inse sanningen om glädjen med forskning:Ge aldrig upp ditt utforskande, eftersom det handlar om din dröm. Du måste fortsätta leta tills du får sanningen, att hitta ny kunskap."
