Cellulose ionic conductors with high differential thermal voltage for low-grade heat harvesting

材料科学 纤维素 热电效应 电解质 热电材料 化学工程 离子键合 热导率 复合材料 离子电导率 离子 化学 有机化学 热力学 工程类 物理化学 物理 生物化学 电极
作者
Tian Li,Xin Zhang,Steven D. Lacey,Ruiyu Mi,Xinpeng Zhao,Feng Jiang,Jianwei Song,Zhongqi Liu,Guang Chen,Jiaqi Dai,Yonggang Yao,Siddhartha Das,Ronggui Yang,Robert M. Briber,Liangbing Hu
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:18 (6): 608-613 被引量:545
标识
DOI:10.1038/s41563-019-0315-6
摘要

Converting low-grade heat into useful electricity requires a technology that is efficient and cost effective. Here, we demonstrate a cellulosic membrane that relies on sub-nanoscale confinement of ions in oxidized and aligned cellulose molecular chains to enhance selective diffusion under a thermal gradient. After infiltrating electrolyte into the cellulosic membrane and applying an axial temperature gradient, the ionic conductor exhibits a thermal gradient ratio (analogous to the Seebeck coefficient in thermoelectrics) of 24 mV K–1—more than twice the highest value reported until now. We attribute the enhanced thermally generated voltage to effective sodium ion insertion into the charged molecular chains of the cellulosic membrane, which consists of type II cellulose, while this process does not occur in natural wood or type I cellulose. With this material, we demonstrate a flexible and biocompatible heat-to-electricity conversion device via nanoscale engineering based on sustainable materials that can enable large-scale manufacture. Generating electricity by low-grade thermal harvesting requires a low-cost technology. Here, by chemically treating wood, aligned cellulose molecular chains form that confine sodium ions in the sub-nanometre channels and enhance selective diffusion, generating differential thermal voltage of 24 mV K–1.
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