果凍是小朋友們喜愛吃的甜點,但是機器人不吃東西,只需要充電。南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系副教授劉瑋書課題組打破了這個常識——研究人員運用最新原創(chuàng)性研究,做出了一個可以發(fā)電的“果凍”。“果凍”主要物質(zhì)是從動物骨頭中提取出來的高分子物質(zhì)明膠,不僅可以作為餐桌上的美食,也是重要的工業(yè)原料。

會發(fā)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(xué)院陳剛院士課題組合作離子型室溫?zé)犭姴牧仙汐@得重大突破,通過離子的擴散熵與氧化還原電對反應(yīng)熵的協(xié)同效應(yīng)在準(zhǔn)固態(tài)離子凝膠中實現(xiàn)了高達17 mV/K的巨熱電勢效應(yīng)(如圖1)。研究成果以First release的形式發(fā)表在頂級期刊《科學(xué)》(Science)上。

會發(fā)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,F(xiàn)eCN4-/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(yīng)和thermogalvanic效應(yīng)的絕對熱電勢。

基于Seebeck效應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換材料可以實現(xiàn)熱能與電能之間的直接相互轉(zhuǎn)換,可為物聯(lián)網(wǎng)體系中的小型傳感器或電子設(shè)備提供可持續(xù)工作的電能。目前,基于傳統(tǒng)電子型的熱電轉(zhuǎn)換材料(e-TE)在室溫環(huán)境下捕獲的能量可以達到毫瓦級的輸出功率,但是受半導(dǎo)體電聲輸運行為的限制,優(yōu)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(lián),增加了器件的復(fù)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(zhuǎn)換材料具有較高的熱電勢,產(chǎn)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(yīng)(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(xiàn)熱到電的轉(zhuǎn)換,這與以電子為能量載體的Seebeck效應(yīng)類似;另一種是利用氧化/還原電對的溫度效應(yīng)(Thermogalvanic Effect),即利用氧化/還原反應(yīng)過程中的熵變實現(xiàn)熱到電的轉(zhuǎn)變。該研究工作從實驗和理論兩個角度闡明了有負的溫度系數(shù)的thermogalvanic效應(yīng)和p型熱電勢的thermodiffusion效應(yīng)能夠協(xié)同作用進而產(chǎn)生高的p型熱電勢(如圖2)。

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

研究人員對準(zhǔn)固態(tài)離子型熱電轉(zhuǎn)換器件提出了一種新的準(zhǔn)連續(xù)熱充電/放電工作模式,可以使器件循環(huán)運行100圈,實現(xiàn)5小時的工作時長。研究人員將25個5×5×1.8 mm的準(zhǔn)固態(tài)離子型熱電單元串聯(lián)組裝成柔性可穿戴器件,該器件利用人體溫差實現(xiàn)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(xiàn)熱到電的轉(zhuǎn)換,為物聯(lián)網(wǎng)體系中傳感器及電子設(shè)備實現(xiàn)所需電能自供給提供了一種選擇。

會發(fā)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(chǎn)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?zé)犭姴牧吓c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(jīng)歷了多次的失敗,劉瑋書課題組終于在“果凍”中找到了靈感,研發(fā)出了以離子為能量載體的新型室溫?zé)犭姴牧稀?/p>

該工作理論方面的突破得到了陳剛院士的重要支持。劉瑋書表示,科學(xué)探索除了需要有面臨挫折時的堅持,還離不開良師益友的指導(dǎo)?!皩嶒灠l(fā)現(xiàn)巨熱電效應(yīng),帶給我們的是短暫的喜悅和一堆疑問,在與研究伙伴反復(fù)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(fā)現(xiàn);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后韓成功,共同第一作者、麻省理工學(xué)院博士后錢鑫對于論文在協(xié)同效應(yīng)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(xué)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(xué)教授王衛(wèi)超、香港大學(xué)副教授馮憲平,以及2018級南科大-港大聯(lián)培博士生李其鍇、2017級南科大-哈工大聯(lián)培博士生朱永濱、2018級南科大-哈工大聯(lián)培碩士生鄧彪、北科大訪問學(xué)生韓志佳等。

該工作得到了SUSTech-MIT機械工程教育與研究中心,廣創(chuàng)團隊項目和騰訊公益基金會“科學(xué)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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