Un paper que converteix la calor residual en energia elèctrica produït a l’ICMAB

El dispositiu està fet de cel·lulosa produïda al laboratori per uns bacteris, amb petites quantitats d’un nanomaterial conductor, per la qual cosa resulta sostenible

Aquests materials es podrien utilitzar per generar electricitat en dispositius “wearables”, en aplicacions mèdiques i esportives, i com a aïllament tèrmic intel·ligent

Els materials termoelèctrics, capaços de transformar la calor en electricitat, són molt prometedors a l’hora de convertir la calor residual en energia elèctrica, ja que permeten aprofitar una energia que, d’una altra manera, es perdria. Ara, un equip d’investigadors de l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC) han creat un nou material termoelèctric: es tracta d’un paper capaç de convertir la calor residual en electricitat. Aquests dispositius podrien usar-se per generar electricitat a partir de calor residual per alimentar sensors en el camp de l’Internet de les Coses, l’Agricultura 4.0 o la Indústria 4.0. Els resultats de la recerca es publiquen a la revista Energy & Environmental Science.

“Aquest dispositiu està compost de cel·lulosa, produïda in situ al laboratori per uns bacteris, amb petites quantitats d’un nanomaterial conductor, els nanotubs de carboni, utilitzant una estratègia sostenible i respectuosa amb el medi ambient”, explica Mariano Campoy-Quiles, investigador de l’ICMAB.

“En un futur proper, es podrien utilitzar com a dispositius wearables, en aplicacions mèdiques o esportives, per exemple. I si l’eficiència del dispositiu s’optimitzés encara més, aquest material podria donar lloc a un aïllament tèrmic intel·ligent, o a sistemes de generació elèctrica híbrids fotovoltaics-termoelèctrics”, prediu Campoy-Quiles.

A més “degut a l’alta flexibilitat de la cel·lulosa i a l’escalabilitat del procés, aquests dispositius es podrien utilitzar en aplicacions on la font de calor residual tingués formes poc regulars o àrees extenses, ja que es podrien recobrir totalment amb el material” indica Anna Roig, investigadora de l’ICMAB.

Com que la cel·lulosa bacteriana es pot fabricar a casa, potser estem davant del primer pas cap a un nou paradigma energètic, on els usuaris es podran fabricar els seus propis generadors elèctrics. Encara estem lluny, però aquest estudi en representa un principi. Per algun lloc s’ha de començar.

 Cultivat al laboratori

“En comptes de fabricar un material per a l’energia, el cultivem” explica Mariano Campoy-Quiles, investigador de l’estudi. “Els bacteris, dispersos en un medi de cultiu aquós que conté sucres i els nanotubs de carboni, van produint les fibres de nanocel·lulosa que acabaran formant el dispositiu, on els nanotubs de carboni queden perfectament dispersats” continua Campoy-Quiles.

“S’obté un material mecànicament molt resistent, molt flexible i deformable, gràcies a les fibres de cel·lulosa, i amb una elevada conductivitat elèctrica, gràcies als nanotubs de carboni”, explica Anna Laromaine, investigadora de l’ICMAB. “La intenció és acostar-nos al concepte d’economia circular, utilitzant materials sostenibles i que no siguin tòxics pel medi ambient, que s’utilitzin en poca quantitat, que es puguin reciclar i reutilitzar”, explica Roig.

Roig afirma que, en comparació amb altres materials semblants, aquest “té una estabilitat tèrmica superior als materials termoelèctrics basats en polímers sintètics, la qual cosa permet arribar fins als 250 ºC. A més, no fa servir elements tòxics, i es pot reciclar, degradant fàcilment la cel·lulosa mitjançant un procés enzimàtic en glucosa, recuperant al mateix temps els nanotubs de carboni, que són l’element més car del dispositiu”. A més, se’n pot controlar el gruix, el color i fins i tot la transparència.

Campoy-Quiles explica que s’han utilitzat els nanotubs de carboni per un tema de dimensions: “Gràcies al seu diàmetre nanomètric i a les poques micres de llargada, els nanotubs de carboni permeten, amb molt poca quantitat (en alguns casos fins un 1 %), aconseguir que hi hagi percolació elèctrica, és a dir, un camí continu on les càrregues elèctriques puguin viatjar a través del material, permetent que la cel·lulosa sigui conductora i, al mateix temps, aïllant tèrmic”.

A més, el fet d’utilitzar una quantitat tan petita de nanotubs (fins a un 10 % com a màxim), conservant l’eficiència global d’un material que en contingués el 100 %, s’aconsegueix un estalvi econòmic i energètic molt significatiu”, afegeix Campoy-Quiles. “D’altra banda, les dimensions dels nanotubs de carboni són semblants a les nanofibres de cel·lulosa, amb la qual cosa s’aconsegueix una dispersió homogènia. A més, la inclusió d’aquests nanomaterials té un impacte positiu en les propietats mecàniques de la cel·lulosa, fent-la encara més deformable, extensible i resistent”, afegeix Roig.

Aquest estudi és el resultat d’un projecte interdisciplinari (FIP-THERMOPAPER) entre diferents grups de l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC) de la convocatòria “Frontier Interdisciplinary Projects”, una de les accions estratègiques del projecte d’excel·lència Severo Ochoa.♦

 Article: Deyaa Abol-Fotouh, Bernhard Dörling, Osnat Zapata-Arteaga, Xabier Rodríguez-Martínez, Andrés Gómez, J. Sebastian Reparaz, Anna Laromaine, Anna Roig and  Mariano Campoy-Quiles. Farming thermoelectric paper. Energy & Environmental Science. DOI: 10.1039/C8EE03112F.