El calor de bajo grado es abundante, pero la recuperación eficiente de calor de bajo grado sigue siendo un gran desafío. Así que aquí, proponemos una célula térmica asimétrica con una alta eficiencia energética superior al 3% La célula térmica asimétrica se carga térmicamente y se descarga eléctricamente bajo operación isotérmica, por lo que tiene potencial para diversas aplicaciones, debido a su flexibilidad, bajo costo y peso ligero. El rendimiento de las células térmicas asimétricas depende en gran medida del contenido de los grupos de oxígeno-funcional y de la calidad de los electrodos.
Se sugiere a los investigadores que sigan estrictamente el protocolo. La demostración visual ayuda a comprender mejor la estructura de la termocélula asimétrica como una nueva técnica, y garantiza la calidad de la producción. Demostrar el procedimiento serán Mu Kaiyu y Wang Xun, estudiante de posgrado, y el Dr.Huang Yu-Ting, post-doctorado de nuestro laboratorio.
Para instalar un baño de agua fría, coloque un vaso de vidrio de doble pared en un agitador magnético y circule agua helada a través de la capa externa. Vierta 100 mililitros de ácido sulfúrico en el vaso de precipitados y encienda el agitador magnético. Añadir un gramo de nitrato de sodio al vaso de precipitados.
Agregue un gramo de grafito de escamas al vaso de precipitados que contiene el ácido sulfúrico, y revuelva durante una hora en el baño frío. Después de una hora, añadir gradualmente seis gramos de permanganato de potasio a la solución. Revuelva la mezcla durante otras dos horas.
Después de dos horas, reemplace el agua helada en la capa externa con el agua a una temperatura de 35 grados celsius. Cambie el entorno de reacción a 35 grados centígrados para un procedimiento posterior. Continúe la oxidación del grafito agitando durante media hora.
Añadir 46 mililitros de agua desionizada en el vaso de precipitados una gota a la vez, lo que elevará la temperatura del vaso de precipitados al rango de 80 a 90 grados centígrados. La síntesis de óxido de grafeno es una reacción intensa. Por favor, siga estrictamente el protocolo, y llevar a cabo los experimentos en la campana de la película, con el equipo de seguridad de laboratorio adecuado.
Añadir 140 mililitros de agua desionizada, y luego 20 mililitros de peróxido de hidrógeno. Busque partículas doradas de óxido de grafeno para aparecer como resultado. Lave el producto a fondo varias veces con ácido clorhídrico diluido y agua desionizada hasta que la suspensión del óxido de grafeno alcance un pH de siete.
Congele la suspensión de óxido de grafeno lavado durante la noche. Seque en un secador de congelación hasta que el agua se evapore por completo. Mezclar el óxido de grafeno, el negro de carbono y el PVDF en una proporción de masa de 75 a 15 a 10, y ponerlos en una botella de vidrio.
Mida una cantidad de disolvente N-metil-2-pirrolidona que es cuatro veces la masa de la mezcla de óxido de grafeno-carbono negro-PVDF. Gotee el disolvente en la mezcla sólida. Utilice un mezclador para crear una pasta.
Mezclar el disolvente y el sólido a 2.000 RPM durante 30 minutos. Luego, desespuma a 1.200 RPM durante dos minutos. Cepille la pasta sobre papel de carbono hasta que la capa tenga una carga masiva de ocho a 15 miligramos por centímetro cuadrado.
Secarlo durante cuatro horas a 40 grados centígrados. Para preparar una solución de carboximetilcelulosa, disolver el polvo de CMC 1% en peso en agua desionizada. Revuelva durante 10 horas.
A continuación, añadir 50 miligramos de polianilina de base de gluco-esmeralda y 10 miligramos de negro de carbono a un vaso de precipitados. A continuación, añadir 150 microlitros de la solución de carboximetilcelulosa al vaso de precipitados. Mezclar con un agitador magnético durante 12 horas.
Para completar la preparación de la suspensión de polianilina, agregue seis microlitros de solución de 40%estireno-butadieno al vaso de precipitados, y revuelva durante otros 15 minutos. Coloque un pedazo de papel de carbono en la cuchilla del médico. Suelte la suspensión de polianilina mixta en el borde delantero del papel de carbono.
La hoja recubre la suspensión para producir una película de 400 micrómetros de espesor en el papel de carbono. Seque el recubrimiento durante cuatro horas a 50 grados centígrados. Haga los colectores actuales cortando la lámina de titanio en el tamaño adecuado.
Utilice una máquina de soldadura por puntos ultrasónica de 20 kilohercios para conectar cada pieza de papel de aluminio a una pestaña de níquel. Coloque un separador poroso, hidrófilo, a base de polipropileno entre el electrodo de óxido de grafeno y un electrodo de polianilina. Apile cada electrodo con un colector de corriente.
Montar la bolsa de celda electroquímica térmica asimétrica, o termocélula asimétrica, empacando los electrodos en película laminada de aluminio. Con un sellador de vacío compacto, selle tres lados de la película laminada de aluminio durante cuatro segundos. Inyecte 500 microlitros de electrolito de cloruro de potasio de un molar en la bolsa y permita que se equilibre durante 10 minutos.
Luego, extruya el exceso de electrolito. Selle el último lado de la bolsa en el sellador al vacío. Aplique pasta térmica a las interfaces de la celda de la bolsa, para asegurar un buen contacto térmico.
Para configurar el sistema de control de temperatura, apile la termocélula asimétrica entre dos módulos termoeléctricos. Coloque las parejas térmicas en los lados superior e inferior de la célula. Utilice un potenciostato para realizar pruebas electroquímicas de la termocélula asimétrica.
Lleve a cabo la carga térmica en modo de circuito abierto. Llevar a cabo el proceso de descarga eléctrica en modo cerrado, a una corriente constante. Se observó una tensión incorporada, delta-v no, en condiciones de circuito abierto a temperatura ambiente.
Cuando la termocélula asimétrica se calentó de temperatura ambiente a alta temperatura, el voltaje de la celda aumentó a medida que los electrones se trasladaban a la superficie del óxido de grafeno. Cuando se conectaba una carga externa, se descargaba la termocélula asimétrica. Cuando la termocélula asimétrica se calentó desde la temperatura ambiente hasta una temperatura alta de 70 grados Celsius, el potencial de circuito abierto alcanzó 0,185 voltios.
La descarga de la termocélula asimétrica se llevó a cabo bajo una corriente constante de 0,1 miliamperios. El trabajo eléctrico de salida se calculó integrando la tensión de descarga sobre la capacidad de carga. La termocélula asimétrica alcanzó una eficiencia de conversión energética del 3,32% equivalente al 25,3% de la eficiencia de Carnot.
En comparación con otros sistemas termoelectroquímicos, la eficiencia de conversión de energía de la termocélula asimétrica es la más alta jamás alcanzada a 70 grados Centígrados. La termocélula asimétrica tiene el potencial de ser utilizada para convertir el calor residual en electricidad en una amplia variedad de escenarios. Los grupos funcionales de oxígeno son esenciales para el efecto pseudo-compactivo térmico del óxido de grafeno.
La calidad de la síntesis de óxido de grafeno, y la carga de materiales en el paso 3.4, son importantes. La eficiencia y la seguridad de las termocélulas asimétricas se pueden mejorar cambiando los materiales de los electrodos. Por ejemplo, mediante el uso de análogo azul prusiano como ánodo.
Esta tecnología primero exploró la conversión de calor a electricidad bajo operaciones isotérmicas, y revolucionó los sistemas electroquímicos térmicos.
