會發電的“果凍”——巨熱電勢的離子熱電材料

果凍是小朋友們喜愛吃的甜點,但是機器人不吃東西,隻需要充電。南方科技大學材料科學與工程系副教授劉瑋書課題組打破瞭這個常識——研究人員運用最新原創性研究,做出瞭一個可以發電的“果凍”。“果凍”主要物質是從動物骨頭中提取出來的高分子物質明膠,不僅可以作為餐桌上的美食,也是重要的工業原料。

會發電的“果凍”——巨熱電勢的離子熱電材料

近日,南科大劉瑋書課題組與麻省理工學院陳剛院士課題組合作離子型室溫熱電材料上獲得重大突破,通過離子的擴散熵與氧化還原電對反應熵的協同效應在準固態離子凝膠中實現瞭高達17 mV/K的巨熱電勢效應(如圖1)。研究成果以First release的形式發表在頂級期刊《科學》(Science)上。

會發電的“果凍”——巨熱電勢的離子熱電材料
圖1.巨熱電勢離子型熱電材料。(A)本工作制備的離子型熱電材料Gelatin-x KCl-m/n FeCN4-/3-熱電勢對比圖(x和m/n是摩爾濃度,FeCN4-/3-是Fe(CN)64-/Fe(CN)63-),其中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)和Gelatin-KCl-FeCN4-/3-(x = 0.8 M, m/n = 0.42/0.25 M,水/明膠體積比rv=2.0和3.0);(B)本工作和報道采用thermodiffusion效應和thermogalvanic效應的絕對熱電勢。

基於Seebeck效應的熱電轉換材料可以實現熱能與電能之間的直接相互轉換,可為物聯網體系中的小型傳感器或電子設備提供可持續工作的電能。目前,基於傳統電子型的熱電轉換材料(e-TE)在室溫環境下捕獲的能量可以達到毫瓦級的輸出功率,但是受半導體電聲輸運行為的限制,優化的熱電勢約在200 μV/K左右。為獲得1~5 V的供傳感器正常工作的電壓,該材料需要成千上萬對n/p熱電對串聯,增加瞭器件的復雜度和集成度;或者需要外接升壓芯片提高電壓,但會增加功耗,提高成本。

離子型熱電轉換材料具有較高的熱電勢,產生熱電勢的形式大體上分為兩種形式:一種是利用離子的熱擴散效應(Thermodiffusion Effect),即利用溫差下離子定向遷移的濃度差引起的熵變實現熱到電的轉換,這與以電子為能量載體的Seebeck效應類似;另一種是利用氧化/還原電對的溫度效應(Thermogalvanic Effect),即利用氧化/還原反應過程中的熵變實現熱到電的轉變。該研究工作從實驗和理論兩個角度闡明瞭有負的溫度系數的thermogalvanic效應和p型熱電勢的thermodiffusion效應能夠協同作用進而產生高的p型熱電勢(如圖2)。

會發電的“果凍”——巨熱電勢的離子熱電材料
圖2.協同機理。(A)本工作制備的離子型熱電材料的電化學勢和電壓分佈,E為內建電場。(A)Gelatin-KCl,(B)Gelatin-FeCN4-/3-,(C)Gelatin-KCl-FeCN4-/3-。

研究人員對準固態離子型熱電轉換器件提出瞭一種新的準連續熱充電/放電工作模式,可以使器件循環運行100圈,實現5小時的工作時長。研究人員將25個5×5×1.8 mm的準固態離子型熱電單元串聯組裝成柔性可穿戴器件,該器件利用人體溫差實現高達2.2 V的電壓和5μW最大輸出功率(如圖3)。該工作以離子為能量載體實現熱到電的轉換,為物聯網體系中傳感器及電子設備實現所需電能自供給提供瞭一種選擇。

會發電的“果凍”——巨熱電勢的離子熱電材料
圖3.可穿戴離子型熱電器件的概念驗證。(A)拉伸示意圖;(B)由25個單元(Cu∣i-TE∣Cu,5×5×1.8 mm)組成的可穿戴離子型熱電器件利用人體溫差產生的電壓變化;(C)放電過程中的功率-電壓-電流變化;(D)可穿戴i-TE和e-TE器件利用人體溫度回收電能的性能對比圖。

劉瑋書主要從事室溫熱電材料與器件的研究。2017年,劉瑋書在為Material Today Physics撰寫的一篇題為“New trends, strategies and opportunities in thermoelectric materials: A perspective”的邀請綜述論文中,提出“Go beyond Seebeck effect”的展望。經歷瞭多次的失敗,劉瑋書課題組終於在“果凍”中找到瞭靈感,研發出瞭以離子為能量載體的新型室溫熱電材料。

該工作理論方面的突破得到瞭陳剛院士的重要支持。劉瑋書表示,科學探索除瞭需要有面臨挫折時的堅持,還離不開良師益友的指導。“實驗發現巨熱電效應,帶給我們的是短暫的喜悅和一堆疑問,在與研究夥伴反復推敲,回答陳剛院士提出的一個個問題的時候,才真正體驗到研究的意義和魅力:研是動手,去探索與發現;究是動腦,去思考窮極真理,格物致知”。

論文第一作者為劉瑋書課題組博士後韓成功,共同第一作者、麻省理工學院博士後錢鑫對於論文在協同效應的理論解釋上有重要貢獻。劉瑋書陳剛為論文通訊作者,南方科技大學為論文第一通訊單位。論文的參與作者還包括南科大物理系教授張文清、南開大學教授王衛超、香港大學副教授馮憲平,以及2018級南科大-港大聯培博士生李其鍇、2017級南科大-哈工大聯培博士生朱永濱、2018級南科大-哈工大聯培碩士生鄧彪、北科大訪問學生韓志佳等。

該工作得到瞭SUSTech-MIT機械工程教育與研究中心,廣創團隊項目和騰訊公益基金會“科學探索獎”項目的支持。

論文鏈接:

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/29/science.aaz5045/tab-pdf

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