Термоэлектрические материалы, способные преобразовывать тепло в электричество, очень перспективны при преобразовании остаточного тепла в электрическую энергию, поскольку позволяют эффективно утилизировать трудноиспользуемую или почти потерянную тепловую энергию.
Исследователи из Института материаловедения Барселоны (ICMAB-CSIC) создали новую концепцию термоэлектрического материала, опубликованную в журнале Energy & Environmental Science. Это устройство, состоящее из целлюлозы, произведенной на месте в лаборатории бактериями, с небольшим количеством проводящего наноматериала, углеродных нанотрубок, с использованием устойчивой и безвредной для окружающей среды стратегии.
«Вместо того, чтобы производить материал для получения энергии, мы выращиваем его», - объясняет Мариано Кампой-Куилес, исследователь этого исследования. «Бактерии, диспергированные в водной культуральной среде, содержащей сахар и углеродные нанотрубки, производят волокна наноцеллюлозы, которые в конечном итоге образуют устройство, в которое встроены углеродные нанотрубки», - продолжает Кампой-Куилес..
«Мы получаем механически стойкий, гибкий и деформируемый материал благодаря целлюлозным волокнам и с высокой электропроводностью благодаря углеродным нанотрубкам», - объясняет Анна Ларомейн, исследователь этого исследования. «Намерение состоит в том, чтобы приблизиться к концепции экономики замкнутого цикла, используя устойчивые материалы, которые не токсичны для окружающей среды, которые используются в небольших количествах и которые можно перерабатывать и использовать повторно», - объясняет Анна Роиг, исследователь этого исследования. Устройство изготовлено из экологически чистых и перерабатываемых материалов с высокой добавленной стоимостью», - добавляет она.
Roig утверждает, что по сравнению с другими подобными материалами «этот материал обладает более высокой термической стабильностью по сравнению с другими термоэлектрическими материалами на основе синтетических полимеров, что позволяет достигать температуры 250 °C. Кроме того, устройство не использует токсичные элементы, а целлюлоза может быть легко переработана, поскольку она может быть разложена ферментативным процессом, превращающим ее в глюкозу, при этом восстанавливаются углеродные нанотрубки, которые являются самым дорогим элементом устройства». Кроме того, можно контролировать толщину, цвет и прозрачность материала.
Campoy-Quiles объясняет, что углеродные нанотрубки были выбраны из-за их размеров: «Благодаря наноразмерному диаметру и длине в несколько микрон углеродные нанотрубки позволяют с очень небольшим количеством (в некоторых случаях до 1%), для получения электрической перколяции, то есть непрерывного пути, по которому электрические заряды могут проходить через материал, позволяя целлюлозе быть проводящей.«Кроме того, использование такого небольшого количества нанотрубок (максимум до 10%) при сохранении общей эффективности материала, содержащего 100%, делает процесс очень экономичным и энергоэффективным», - добавляет Кампой-Куилес. «С другой стороны, размеры углеродных нанотрубок аналогичны размерам нановолокон целлюлозы, что приводит к однородной дисперсии. Кроме того, включение этих наноматериалов положительно влияет на механические свойства целлюлозы, делая ее еще более деформируемой., расширяемый и устойчивый», - добавляет Ройг.
Эти устройства могут использоваться для выработки электроэнергии из остаточного тепла для питания датчиков в области Интернета вещей, сельского хозяйства 4.0 или промышленности 4.0. «В ближайшем будущем их можно будет использовать в качестве носимых устройств, например, в медицине или спорте. И если бы эффективность устройства была еще более оптимизирована, этот материал мог бы привести к интеллектуальным теплоизоляторам или к гибридной фотоэлектрической и термоэлектрической энергии. системы генерации», - объясняет Кампой-Килес. Кроме того, «из-за высокой гибкости целлюлозы и масштабируемости процесса эти устройства могут использоваться в приложениях, где источник остаточного тепла имеет необычные формы или обширные площади, поскольку они могут быть полностью покрыты этим материалом», - указывает Роиг..
Поскольку бактериальную целлюлозу можно изготовить в домашних условиях, возможно, мы стоим перед первым шагом на пути к новой энергетической парадигме, когда пользователи смогут создавать свои собственные электрические генераторы. Мы еще далеко, но это исследование - начало. Мы должны с чего-то начинать.
Это исследование является результатом междисциплинарного проекта между различными группами Института материаловедения Барселоны (ICMAB-CSIC) в рамках конкурса «Фронтир междисциплинарных проектов», стратегической акции проекта Severo Ochoa. совершенства.