Новий цемент виробляє електрику та зберігає енергію

Китайські дослідники розробили інноваційний цементно-гідрогелевий композит, здатний генерувати та зберігати електроенергію, що відкриває нові перспективи для створення енергоефективної інфраструктури розумних міст майбутнього.

by @freepik

Новий матеріал на основі біосировини демонструє вражаючі показники. Його коефіцієнт Зеєбека становить -40,5 мВ/К. Це вдесятеро перевищує параметри всіх відомих термоелектричних матеріалів на цементній основі. Такий результат може революціонізувати будівельну галузь.

Розробка належить команді під керівництвом професора Чжоу Яна з Південно-Східного університету Китаю. Вчені отримали натхнення від природи – шаруватої структури стебел рослин. Цей біоміметичний підхід дозволив створити матеріал з унікальними властивостями.

Окрім високого коефіцієнта Зеєбека, новий композит має показник добротності (ZT) 6,6?10-?. Це в шість разів вище, ніж у попередніх аналогів. Такі характеристики відкривають практичне застосування термоелектричних властивостей цементу.
Принцип роботи та подолання обмежень
Звичайний цемент уже має природну здатність генерувати електрику. Це відбувається завдяки іонному термоелектричному ефекту. Проте цей ефект завжди був занадто слабким для практичного використання.

Основна проблема полягає в низькій рухливості іонів.

Щільна цементна матриця обмежує швидкість їхнього руху. Дослідники пояснюють, що різниця у швидкості дифузії між катіонами та аніонами створює термоелектричні властивості. Проте ізоляція пор перешкоджає ефективному транспортуванню іонів.

Для вирішення цієї проблеми команда розробила багатошарову структуру. У ній чергуються шари традиційного цементу та гідрогелю на основі полівінілового спирту. Ця інноваційна архітектура матеріалу стала ключем до успіху.

Гідрогелеві шари забезпечують швидкі шляхи для руху іонів гідроксиду. Водночас інтерфейси між цементом і гідрогелем спеціально спроектовані для взаємодії з іонами. Вони міцно зв'язуються з іонами кальцію та слабше з іонами гідроксиду.

Біо-натхненний дизайн цементно-гідрогелевого термоелектричного композиту.
Біоміметичний підхід до розробки
Природа часто пропонує найефективніші рішення інженерних проблем. Розробники надихнулися внутрішньою будовою рослинних стебел. Цей біоміметичний підхід виявився надзвичайно успішним.

Багатошарова структура створює численні інтерфейси. Вони забезпечують багато місць взаємодії з іонами цементу.

Саме ці взаємодії підвищують термоелектричні характеристики матеріалу.

Дослідники відзначають, що біоміметична структура та механізм міжфазної селективної іммобілізації відкривають нові шляхи. Вони прокладають дорогу до розробки високоефективних іонних термоелектричних матеріалів. Такий підхід має широкі перспективи застосування.

Тема біоінженерних матеріалів стає все актуальнішою. На конференції SynBioBeta відбудеться сесія "Подолання вуглецевих викидів у бетонній промисловості". Вона висвітлить роль таких матеріалів у сталому будівництві.
Подвійна функціональність: генерація та зберігання енергії
Особливо перспективною є подвійна функціональність нового матеріалу. Він не лише генерує електроенергію, але й здатний її зберігати. Жоден інший цементний матеріал не має таких властивостей.

Унікальна багатошарова архітектура забезпечує міцні механічні властивості. Водночас вона створює вбудовані можливості зберігання енергії. Ця комбінація властивостей робить матеріал ідеальним для розумної інфраструктури.

Дисбаланс у рухливості різних типів іонів підсилює термоелектричний ефект.

Він прискорює рух певних іонів і створює більшу різницю в їхній мобільності. Результатом є значно вища ефективність генерації електрики з теплових градієнтів.

Важливо відзначити, що матеріал зберігає структурні властивості цементу. Він забезпечує надійну конструкційну підтримку, одночасно виконуючи нові функції. Це дозволяє інтегрувати його в традиційні будівельні проєкти.
Перспективи для розумних міст майбутнього
Цей інноваційний матеріал відкриває захопливі можливості для інфраструктури розумних міст. Уявіть будинки, дороги та мости, які генерують власну електроенергію. Вони можуть живити вбудовані датчики та системи комунікації.

Тротуари могли б живити вуличне освітлення. Мости могли б моніторити власний структурний стан без зовнішнього живлення. Будівлі могли б забезпечувати частину своїх енергетичних потреб через стіни та фундаменти.

Зростання міського населення створює попит на сталі технології. Цементно-гідрогелевий композит пропонує вирішення кількох проблем одночасно. Він підвищує енергоефективність міст і зменшує потребу в зовнішніх джерелах енергії.

Майбутнє будівництва стає все більш інтелектуальним. Матеріали з вбудованими функціональними можливостями відіграватимуть ключову роль. Вони забезпечать новий рівень ефективності та сталості міської інфраструктури.

Дослідження термоелектричного цементу продовжує розвиватися. Команда професора Чжоу Яна працює над удосконаленням характеристик матеріалу. Науковці також досліджують можливості його масштабного виробництва для комерційного застосування.

Розробка демонструє, як біонатхненні підходи можуть вирішувати складні інженерні проблеми. Вона також підкреслює важливість міждисциплінарних досліджень у створенні інноваційних матеріалів. Поєднання знань з біології, хімії та матеріалознавства відкриває нові горизонти.