Cement zet warmte om in elektriciteit

Onderzoekers hebben een materiaal op basis van cement ontwikkeld dat elektriciteit kan opwekken en opslaan. Het bio-geïnspireerde materiaal, met een Seebeck-coëfficiënt van -40,5 mV/K, overtreft volgens de onderzoekers alle bekende thermo-elektrische materialen op basis van cement met een factor tien.

Het materiaal is een cement-hydrogelcomposiet, ontwikkeld door een team onder leiding van professor Zhou Yang van de Southeast University in China. Het team liet zich inspireren door de gelaagde structuur in plantenstengels om een ​​materiaal te creëren dat thermische energie kan opvangen en omzetten in elektriciteit.

Het materiaal behaalt een Seebeck-coëfficiënt van -40,5 mV/K en een cijfer van verdienste (ZT) van 6,6×10⁻². Deze waarden zijn respectievelijk tien en zes keer hoger dan wat is gemeten met eerdere thermo-elektrische materialen op cementbasis.

Hydrogellagen

Cement heeft van nature het vermogen om elektriciteit op te wekken door middel van het ionisch thermo-elektrische effect. Maar dit effect was altijd te zwak om praktisch te zijn. Dat komt doordat de dichte cementmatrix de snelheid beperkt die ionen erdoorheen kunnen bewegen.

“Het verschil in diffusiesnelheid tussen kationen en anionen in de poriënoplossing van cement, als gevolg van variaties in de interacties met de poriewanden, geeft cement inherente ionische thermo-elektrische eigenschappen”, aldus de onderzoekers. De isolatie van poriën door de dichte cementmatrix belemmert echter het snelle transport van ionen met hogere diffusiesnelheden, waardoor de verbetering van het mobiliteitsverschil tussen ionen wordt belemmerd en de verbetering van de Seebeck-coëfficiënt wordt beperkt.

Om dit op te lossen, bouwde het onderzoeksteam een ​​meerlagige structuur. Deze wisselt traditioneel cement af met hydrogellagen van polyvinylalcohol (PVA). Dit ontwerp lost het probleem van de ionenmobiliteit op een slimme manier op.

De hydrogellagen dienen als snelle verbindingsroutes voor hydroxide-ionen (OH⁻), terwijl de grensvlakken tussen cement en hydrogel zo zijn ontworpen dat ze een sterke binding aangaan met calciumionen (Ca²⁺) en een zwakkere met OH⁻. Deze onbalans helpt het thermo-elektrische effect te versterken door de beweging van bepaalde ionen te versnellen en meer verschil in mobiliteit te creëren.

Opslag

Wat dit materiaal bijzonder veelbelovend maakt, is dat het niet alleen elektriciteit opwekt, maar deze ook opslaat. De meerlagige architectuur geeft het zowel sterke mechanische eigenschappen als ingebouwde energieopslagmogelijkheden. Dat betekent dat gebouwen, wegen en bruggen die met dit materiaal zijn gemaakt, op een dag sensoren en draadloze communicatiesystemen kunnen aandrijven die direct in de structuur zijn ingebouwd. “De biomimetische structuur en het selectieve immobilisatiemechanisme op de grensvlakken kunnen de weg vrijmaken voor het ontwerp en de fabricage van hoogwaardige ionische thermo-elektrische materialen.”