Electrical Performance of Cement Nanofiller Composites for Low-Grade Thermoelectric Energy Harvesting

Steden zijn vaak warmer dan het omliggende platteland, een fenomeen dat bekend staat als het stedelijk hitte-eilandeffect. Dit gebeurt omdat beton, asfalt en gebouwen zonlicht absorberen en de warmte vasthouden, die ze zelfs nadat de zon is ondergegaan langzaam weer afgeven. Hoewel deze gevangen warmte vaak wordt gezien als een overlast die de energiekosten voor airconditioning opdrijft, is het ook een enorme, onbenutte bron van laagwaardige energie. Stel je een wegdek of een muur van een gebouw voor die niet alleen deze warmte kan opslaan, maar deze ook kan omzetten in elektriciteit. Dit is de belofte van thermoelektrische technologie, een methode die stroom genereert door simpelweg het verschil in temperatuur tussen twee zijden van een materiaal uit te buiten. Om dit op grote schaal te laten werken, moet het materiaal zelf in staat zijn om elektriciteit goed geleidend te transporteren, een eigenschap die gewoon beton mist.

Onderzoekers weten al lang dat het toevoegen van koolstofhoudende materialen aan cement de geleidbaarheid kan vergroten, maar het vinden van de juiste balans tussen kosten, beschikbaarheid en prestaties blijft een uitdaging. Een team wetenschappers in India besloot onlangs een nederige, vaak over het hoofd geziene bron van koolstof te testen: kaarsroet. Ze wilden zien of dit huishoudelijke afvalmateriaal getransformeerd kon worden tot een hoogwaardige additief voor cement, die kan concurreren met dure, commercieel ontwikkelde materialen zoals grafeen en koolstofnanobuisjes. Hun doel was om een cementcomposiet te creëren die de restwarmte van stedelijke oppervlakken kan oogsten en deze kan omzetten in bruikbare elektriciteit, wat potentieel onze wegen en gebouwen in stille stroomgeneratoren kan veranderen.

De onderzoekers begonnen met het verzamelen van het zwarte roet dat ontstaat wanneer een kaars brandt. Ze schraapten het niet simpelweg van een bord; ze ontwikkelden een zorgvuldig proces om het te reinigen en te verfijnen. Door het roet met alcohol te wassen en het op hoge snelheid te centrifugeren om de fijnste deeltjes te scheiden, creëerden ze een gezuiverde vorm van koolstofnanodeeltjes. Vervolgens mengden ze dit uit roet afgeleide materiaal in cementpasta, samen met twee andere soorten koolstofvulstoffen: superkwalitatief grafeen, dat bestaat uit enkelvoudige lagen koolstofatomen, en meervoudig wandige koolstofnanobuisjes, die minuscule, holle cilinders van koolstof zijn. Ze bereidden monsters voor met variërende hoeveelheden van elke vulstof, waarbij de hoeveelheid water en cement constant bleef om een eerlijke vergelijking te garanderen.

Nadat de monsters waren gegoten en gedroogd, onderzochten de onderzoekers deze nauwgezet om te begrijpen hoe de verschillende materialen zich binnen het cement gedroegen. Met behulp van krachtige microscopen observeerden ze dat de kaarsroetdeeltjes bolvormig waren en vol kleine defecten zaten, wat hen een ruwe textuur gaf. Wanneer ze in het cement werden gemengd, vulden deze deeltjes de kleine openingen en poriën binnen het uitgeharde materiaal op, waardoor een dichtere structuur ontstond. De afbeeldingen toonden aan dat de roetdeeltjes zich gelijkmatig verdeelden en een netwerk vormden dat verbinding maakte met de natuurlijke bindgel van het cement. Dit was een cruciale bevinding, aangezien een continu netwerk vereist is voor de doorstroming van elektriciteit door het materiaal.

Het team mat vervolgens hoe goed elk monster elektriciteit geleidde bij verschillende temperaturen. Ze ontdekten dat de hoeveelheid toegevoegde vulstof een significant verschil maakte. Voor de monsters die de dure grafeen bevatten, bereikte de elektrische geleidbaarheid 0,07 S/cm wanneer de vulstof twee procent van het gewicht van het cement besloeg bij 60°C. De monsters met koolstofnanobuisjes vereisten een veel hogere dosis, vijftien procent, om een geleidbaarheid van 0,25 S/cm te bereiken bij 60°C. De monsters gemaakt met de kaarsroetnanodeeltjes vertoonden echter een ander verhaal. Bij een dosis van vijf procent leidde het op roet gebaseerde composiet elektriciteit met 0,03 S/cm bij 85°C. De onderzoekers merkten op dat de geleidbaarheid van al deze materialen verbeterde naarmate de temperatuur steeg, wat precies is wat nodig is voor het oogsten van warmte uit warme wegdekken.

De studie onthulde dat het mechanisme achter deze geleidbaarheid bestaat uit elektronen die over kleine gaten tussen deeltjes springen of erdoorheen tunnelen, een proces dat gemakkelijker wordt wanneer de deeltjes dicht op elkaar gepakt zitten. Het kaarsroet bleek, ondanks dat het een eenvoudig bijproduct van verbranding is, een levensvatbare kandidaat voor het creëren van deze geleidende paden. Hoewel het de hoogwaardige nanobuisjes niet overtrof in termen van pure geleidbaarheid bij de geteste doses, ligt de potentie ervan in de toegankelijkheid en het feit dat het een afvalproduct is. De onderzoekers hebben aangetoond dat het mogelijk is om een gangbaar huishoudelijk verontreinigingsmiddel te transformeren tot een functioneel onderdeel voor slimme infrastructuur.

Uiteindelijk suggereert het werk dat cementcomposieten kunnen worden ontworpen om laagwaardige thermische energie te oogsten, mits het juiste geleidende netwerk is gevestigd. De kaarsroetnanodeeltjes boden een uniek, goedkoop alternatief dat succesvol integreerde in de cementmatrix, een dichtere microstructuur vormde en elektriciteitsstroom mogelijk maakte. Hoewel de technologie zich nog in de experimentele fase bevindt en voor uitdagingen staat wat betreft efficiëntie en grootschalige implementatie, biedt de studie een duidelijk bewijs van het concept. Het laat zien dat de materialen om ons heen in onze steden, van het beton onder onze voeten tot het afval dat we produceren, op een dag deel kunnen uitmaken van een systeem dat de zonnewarmte op een stille manier omzet in elektriciteit.