Quand l’oxydo-réduction booste les performances thermoélectriques

Les chercheurs de l’Institut d’ingénierie chimique de l’Académie des sciences de la province du Guangdong et de l’Université de technologie du Guangdong ont mis au point un nouveau dispositif de conversion thermoélectrique qui améliore considérablement les performances grâce à une combinaison organique de l’effet de diffusion thermique et de la réaction d’oxydo-réduction sur l’électrode.

Le chercheur Wei Zeng de l’Institut d’ingénierie chimique de l’Académie des sciences de la province du Guangdong, en collaboration avec le professeur associé Dongyu Zhu de l’Université de technologie du Guangdong, a conçu et préparé un tout nouveau dispositif de conversion thermoélectrique. Ce dernier améliore de manière spectaculaire les performances de la conversion thermoélectrique grâce à la combinaison organique de l’effet de diffusion thermique et de la réaction d’oxydo-réduction sur l’électrode.

La feuille d’électrode du dispositif thermoélectrique est constituée d’un hydrogel ionique, qui est pris en sandwich entre les électrodes pour former le dispositif. Le bleu de Prusse présent sur l’électrode subit une réaction d’oxydo-réduction qui améliore la densité d’énergie et la densité de puissance du générateur thermoélectrique ionique.

Des résultats prometteurs pour l’avenir

Le professeur Zeng Wei de l’Institut d’ingénierie chimique de l’Académie des sciences du Guangdong a déclaré qu’au début, le groupe menait principalement des recherches basées sur l’effet de diffusion thermique et publiait une série de résultats de recherche. Malgré cela, leurs résultats n’ont jamais atteint l’effet escompté et les perspectives d’application pratique n’étaient pas optimistes.

Plus tard, ils ont essayé d’apporter une amélioration supplémentaire sur la base de l’effet de courant thermique, c’est-à-dire d’incorporer la réaction d’oxydo-réduction de l’électrode. La raison en est que l’effet de courant thermique est une réaction d’oxydo-réduction dans l’électrolyte, de sorte que le gain et la perte d’électrons se produisent principalement dans la solution. Non seulement les électrons de l’électrolyte ont plus de difficultés à migrer vers l’électrode, mais ils doivent également parcourir une certaine distance, ce qui entraîne à la fois une diminution de l’efficacité de conversion et une perte inefficace d’électrons.

Si l’oxydo-réduction peut être réalisée directement au niveau des électrodes, c’est-à-dire si les ions sont autorisés à atteindre les électrodes puis à subir des réactions d’oxydo-réduction de manière thermiquement induite, plutôt que d’être entraînés par un courant électrique, la distance parcourue par les électrons peut être très bien réduite, ce qui permet d’obtenir des rendements de conversion thermoélectrique élevés et une augmentation significative du temps pendant lequel le dispositif thermoélectrique peut fournir de l’énergie à l’extérieur.

«Dans ce travail, la densité de puissance instantanée a atteint 3,7 mW/m2K2. De plus, la densité d’énergie de sortie était de 194 J/m2 pendant 2 heures avec un gradient de température de 10 K, et l’efficacité relative de Carnot était aussi élevée que 0,12% à une température du côté chaud (TH) de 30 °C et une température du côté froid (TC) de 20 °C», a déclaré Zeng Wei.

De nombreuses applications potentielles

En termes d’applications, le dispositif est donc déjà capable d’alimenter en continu des appareils électroniques tels que des appareils électroniques portables et des capteurs. De plus, l’équipe souhaite élargir davantage les applications, comme l’utilisation du dispositif pour les systèmes d’énergie solaire photothermique et la récupération de chaleur à l’extérieur des murs des bâtiments.

Plus précisément, la température à laquelle la lumière du soleil frappe un panneau solaire se situe généralement entre 60 et 80 degrés Celsius, soit une différence de quelques dizaines de degrés Celsius par rapport à la température ambiante réelle. Mais si le dispositif thermoélectrique actuellement développé est fixé à l’arrière du panneau solaire, il peut convertir davantage l’énergie thermique gaspillée en électricité, augmentant ainsi l’efficacité de la production d’énergie solaire. Et en utilisant les dispositifs pour la récupération de chaleur à l’extérieur des murs des bâtiments, l’objectif d’alimenter le bâtiment lui-même peut être atteint.

Les prochaines étapes de la recherche

En ce qui concerne le plan de suivi de cette recherche, Zeng Wei a déclaré qu’actuellement, l’utilisation principale de la polyaniline pour modifier l’électrode, ses caractéristiques d’oxydo-réduction et sa capacité sont relativement limitées. Par conséquent, la prochaine étape consiste à trouver davantage de matériaux qui correspondent au potentiel thermique étudié afin d’augmenter encore la densité des électrodes d’oxydo-réduction et l’énergie fournie à l’extérieur.

Dans le même temps, l’équipe prévoit également d’améliorer la capacité spécifique des électrodes et d’augmenter la surface spécifique pour mieux accroître le rapport de capacité des électrodes. En outre, ils continueront à optimiser la conception structurelle de l’hydrogel lui-même et à élargir le choix des matériaux.

Article : « Energy Density in Ionic Thermoelectric Generators by Prussian Blue Electrodes ». DOI: 10.34133/energymatadv.0089