Материаловеды разработали термоэлектрический преобразователь на основе желатина и солей железа и калия. Устройство может превращать тепло человеческого тела в электроэнергию с рекордной эффективностью, обеспечивая напряжение в 2,2 вольта. Это возможно за счет синергии двух эффектов — термодиффузионного и термогальванического. Исследование опубликовано в журнале Science.

Получение электроэнергии за счет тепла человеческого тела — одна из самых интересных задач современного материаловедения.Такие преобразователи нужны для питания автономных беспроводных сенсоров и других носимых приборов, однако заставить их работать непросто, так как разница температуры человеческого тела и окружающего пространства невелика. Традиционные термоэлектрические преобразователи на основе узкощелевых полупроводников имеют низкий термоэлектрический коэффициент Зеебека (около 100 микровольт на кельвин), поэтому для их работы требуется большая разность температур. Для питания простейшего сенсора от тепла человеческого тела нужно было бы одновременно использовать несколько тысяч таких преобразователей.

Сейчас ученые разрабатывают термоэлектрические преобразователи на ионной основе, которые могут работать за счет двух разных механизмов — термогальванического и термодиффузионного. В термогальванических преобразователях электроэнергию получают из окислительно-восстановительных реакций между двумя электродами — холодным и горячим. Термодиффузионные преобразователи работают за счет движения заряженных частиц под действием температурного градиента. Ионные преобразователи значительно эффективней полупроводниковых и демонстрируют коэффициент Зеебека порядка милливольт на кельвин.

Материаловеды под руководством Вэй Шу Лю (Weishu Liu) из Южного университета науки и технологии в Гуандуне и Гана Чэня (Gang Chen) из Массачусетского технологического института сконструировали термоэлектрический преобразователь, который объединяет оба механизма: термогальванический и термодиффузионный. Преобразователь состоит из двух одинаковых медных электродов, пространство между которыми заполнено гелеобразной смесью желатина и воды. Один из электродов размещают ближе к человеческому телу, он нагревается, в то время как другой остается холодным.

В качестве окислительно-восстановительной пары использовали смесь гексацианоферратов калия K4Fe(CN)6 и K3Fe(CN)6. В первой соли железо находится в степени окисления +2, а во второй — в степени окисления +3, из-за разных энергий сольватации эти две соли могут превращаться друг в друга. На «горячем» электроде Fe2+ окисляется до Fe3+, отдавая по одному электрону, а на холодном Fe3+ восстанавливается до Fe2+ получая электроны от электрода, в результате между электродами образуется разность потенциалов. Термодиффузионный эффект обеспечивают растворимые соли щелочных металлов — под действием градиента температур и анионы, и катионы таких солей движутся от горячего электрода к холодному, однако скорость их диффузии не одинакова. Для того, чтобы усилить термогальванический эффект от реакции между гексацианоферратами, нужны соли с более подвижным катионом — в этом случае создаваемая термодифузионная разность потенциалов будет иметь тот же знак, что и термогальваническая.

Слева направо: термодифузионный эффект, термогальванический эффект, совместное действие двух эффектов
Слева направо: термодифузионный эффект, термогальванический эффект, совместное действие двух эффектов

В поисках наиболее эффективного преобразователя авторы протестировали в различных концентрациях четыре разные соли: KCl, NaCl, KNO3 и K2SO4. Кроме того, они меняли мольное соотношение двух гексацианоферратов в исходной смеси и количество воды в водно-желатиновом геле. В итоге наиболее эффективной и стабильной оказалась ячейка на основе 0,8 молярного хлорида калия (KCl), в котором исходное соотношение K4Fe(CN)6/ K3Fe(CN)6 было равно 1,68, а на каждый грамм желатина приходилось по 2 миллилитра воды. Этот преобразователь продемонстрировал коэффициент Зеебека в 17 милливольт на кельвин — рекорд среди преобразователей на гелевой основе. Интересно, что финальная эффективность устройства оказалось больше, чем сумма эффективностей, достигнутых за счет термогальванического и термодиффузионного эффектов по отдельности, то есть можно говорить о синергии двух процессов.

Для того, чтобы испытать прототип работающего преобразователя, авторы последовательно соединили 25 единичных плоских ячеек (каждая размером 5×5х1,8 миллиметра) с помощью проводящей медной ленты, упаковали всю конструкцию в полиэтиленовую пленку и плотно прижали одной стороной к человеческой руке. При разнице температур между телом и окружающей средой в 10 градусов преобразователь обеспечил стабильное напряжение в 2,2 вольта, что достаточно для работы датчиков влажности, давления и состава воздуха — в среднем такие устройства потребляют от 1 до 3 вольт. Интересно, что добавка солей хлорида калия и гексацианоферратов также улучшила механические свойства желатинового материала: желатин с добавками выдерживал растяжение на 200 процентов (без добавок — только на 140 процентов), а все устройство сохраняло свои характеристики после пяти тысяч изгибов.