Thermocells Driven by Phase Transition of Hydrogel Nanoparticles

化学 热电效应 塞贝克系数 相变 纳米颗粒 能量转换 化学工程 能量转换效率 相(物质) 离域电子 纳米技术 光电子学 热力学 有机化学 材料科学 工程类 物理
作者
Benshuai Guo,Yu Hoshino,Fan Gao,Keisuke Hayashi,Yoshiko Miura,Nobuo Kimizuka,Teppei Yamada
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (41): 17318-17322 被引量:112
标识
DOI:10.1021/jacs.0c08600
摘要

Thermoelectric conversion of low temperature, delocalized, and abundant thermal sources is crucial for the development of the Internet of Things (IoT) and/or a carbon-free society. Thermocells are of great interest in thermoelectric conversion of low-temperature heat due to the low cost and flexibility of components. However, significant improvement of the conversion efficiency is required for the practical use of the cells. Here, we report thermo-electrochemical cells driven by volume phase transition (VPT) of hydrogel nanoparticles (NPs). Entropically driven VPT of poly(N-isopropylacrylamide) NPs containing carboxylic acids and amines generates a pH gradient of up to 0.049 and -0.053 pH K-1, respectively, around physiological temperature. The pH gradient triggers the proton-coupled electron transfer (PCET) reactions of quinhydrone on the electrodes, resulting in the highly efficient thermoelectric conversion with a Seebeck coefficient (Se) of -6.7 and +6.1 mV K-1. Thermocells driven by phase transition of hydrogels provide a nontoxic, flexible, and inexpensive charger that harvests carbon-free energy from abundant energy sources such as solar, body and waste heat.
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