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中科院理化所闻利平课题组AEM:新型仿生热电转换体系——通过离子流定向通过锥形纳米通道阵列收集低品位热能

通过使用BSN来模拟生物热感应过程,在无需外部电源的情况下,系统可以直接进行热电转换

中科院理化所闻利平课题组AEM:新型仿生热电转换体系——通过离子流定向通过锥形纳米通道阵列收集低品位热能

在能源危机的背景下,低品位热源(<100 ℃, 简称为LGH)作为拥有巨大储量而尚未开发的能源受到越来越多的关注。例如,在发电厂和金属冶炼厂的冷却过程中,作为LGH很大一部分的余热,通常以加热的河水或海水这种冷却水的形式储存起来。科学家通过采用半导体热电材料和热电化学器件,努力提取这些储存的能量。然而,为了实现LGH能量的大规模转换,材料或装置必须以成本低效益高和耐受性好来对解决潜在的腐蚀和电解质在水环境中的对材料的消耗。因此,开发结构简单,在水环境中具有高性能的LGH收集系统仍然是挑战。

人体皮肤是一种复杂的感觉系统,其中包含各种感觉器官。每个感受器控制着生物体的一小部分,并将触觉信息编码以动作电位传导至大脑。例如,外部热刺激可以通过在皮肤热感受器细胞中的温敏瞬时受体电位通道(或thermo-TRPs)被转化为一系列动作电位。但是由于生物离子通道的脆弱性限制了这些纳米通道在能量转换等领域中的应用,而仿生智能纳米通道(BSN)因其具有良好的可调几何形状和化学性质而越来越多地被开发用于清洁能源捕获。通过使离子流定向运动,BSN在过去的几十年里已被用于来收集盐梯度能,太阳能和自发过程诱导能。虽然疏水纳米多孔膜已被报道用于LGH的能源的捕获,但是外部电源(压力)的使用可能会降低其效率。因此,模拟thermo-TRP通过定向离子流来收集能量具有重要意义。

中科院理化所闻利平课题组AEM:新型仿生热电转换体系——通过离子流定向通过锥形纳米通道阵列收集低品位热能

近日,中国科学院理化技术研究所闻利平研究员课题组(通讯作者)通过使用BSN来模拟生物热感应过程,在无需外部电源的情况下,系统可以直接进行热电转换,第一作者谢柑华博士。

中科院理化所闻利平课题组AEM:新型仿生热电转换体系——通过离子流定向通过锥形纳米通道阵列收集低品位热能

而外界温度刺激可以通过人造离子通道转换成电信号,即热量可以通过BSN的系统收集。

中科院理化所闻利平课题组AEM:新型仿生热电转换体系——通过离子流定向通过锥形纳米通道阵列收集低品位热能

对该仿生智能纳米孔体系经过一系列条件实验以及相关的理论计算后,研究人员发现在电解质浓度为1 M KCL以及孔径在10-30 nm条件下该体系能够更好地进行热电转换。

中科院理化所闻利平课题组AEM:新型仿生热电转换体系——通过离子流定向通过锥形纳米通道阵列收集低品位热能

该仿生体系在膜温度梯度(ΔT)为40 ℃时,其功率密度理论上可以达到88.8 W m-2。另外该结构简单地体系还能用于制备可携带的热电转换装备,有望扩展电子皮肤领域并在皮肤假体中找到应用。

文献信息:
Xie G, Li P, Zhang Z, et al. Skin‐Inspired Low‐Grade Heat Energy Harvesting Using Directed Ionic Flow through Conical Nanochannels[J]. Advanced Energy Materials, 2018: 1800459.

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