Автор AZoNano 8 июня 2021 г.

Инженеры Массачусетского технологического института открыли новый способ производства электричества с использованием крошечных углеродных частиц, которые могут создавать ток, просто взаимодействуя с окружающей их жидкостью.

Жидкость, органический растворитель, вытягивает электроны из частиц, генерируя ток, который можно использовать для запуска химических реакций или для питания микро- или наноразмерных роботов, говорят исследователи.

«Этот механизм новый, и этот способ производства энергии совершенно новый», – говорит Майкл Страно, профессор химической инженерии в Массачусетском технологическом институте . «Эта технология интригует, потому что все, что вам нужно сделать, это пропустить растворитель через слой этих частиц. Это позволяет выполнять электрохимию, но без проводов».

В новом исследовании, описывающем это явление, исследователи показали, что они могут использовать этот электрический ток для запуска реакции, известной как окисление спирта – органической химической реакции, важной в химической промышленности.

Страно – старший автор статьи, которая сегодня публикуется в Nature Communications . Ведущими авторами исследования являются аспирант Массачусетского технологического института Альберт Тяньсян Лю и бывший исследователь Массачусетского технологического института Юичиро Кунаи. Среди других авторов – бывший аспирант Антон Коттрилл, аспиранты Амир Каплан и Хьюна Ким, аспирант Ге Чжан и недавние выпускники Массачусетского технологического института Рафид Молла и Янник Итмон.

Уникальные свойства

Новое открытие стало результатом исследований Страно углеродных нанотрубок – полых трубок, состоящих из решетки атомов углерода, которые обладают уникальными электрическими свойствами. В 2010 году Страно впервые продемонстрировал, что углеродные нанотрубки могут генерировать «волны термоЭДС». Когда углеродная нанотрубка покрыта слоем топлива, движущиеся импульсы тепла или волны термоЭДС перемещаются по трубке, создавая электрический ток.

Эта работа привела Страно и его учеников к открытию родственной особенности углеродных нанотрубок. Они обнаружили, что, когда часть нанотрубки покрыта тефлоноподобным полимером, это создает асимметрию, которая позволяет электронам течь от покрытой к непокрытой части трубки, генерируя электрический ток. Эти электроны можно вытянуть, погрузив частицы в растворитель, который жаждет электронов.

Чтобы использовать эту особую способность, исследователи создали частицы, генерирующие электричество, измельчая углеродные нанотрубки и превращая их в лист материала, похожего на бумагу. Одна сторона каждого листа была покрыта тефлоноподобным полимером, а затем исследователи вырезали мелкие частицы, которые могут иметь любую форму и размер. Для этого исследования они сделали частицы размером 250 на 250 микрон.

Когда эти частицы погружаются в органический растворитель, такой как ацетонитрил, растворитель прилипает к непокрытой поверхности частиц и начинает вытягивать из них электроны.

«Растворитель уносит электроны, и система пытается уравновеситься, перемещая электроны», – говорит Страно. «Внутри нет сложной химии батареи. Это просто частица, которую вы помещаете в растворитель, и она начинает генерировать электрическое поле».

Сила частиц

Текущая версия частиц может генерировать около 0,7 вольт электричества на частицу. В этом исследовании исследователи также показали, что они могут образовывать массивы из сотен частиц в небольшой пробирке. Этот реактор с «уплотненным слоем» вырабатывает достаточно энергии для проведения химической реакции, называемой окислением спирта, в которой спирт превращается в альдегид или кетон. Обычно эту реакцию не проводят с помощью электрохимии, потому что для этого потребуется слишком большой внешний ток.

«Поскольку реактор с уплотненным слоем компактен, он имеет большую гибкость с точки зрения применения, чем большой электрохимический реактор», – говорит Чжан. «Частицы могут быть очень маленькими, и им не требуются внешние провода для проведения электрохимической реакции».

В своей будущей работе Страно надеется использовать этот вид выработки энергии для создания полимеров, используя только диоксид углерода в качестве исходного материала. В родственном проекте он уже создал полимеры, которые могут восстанавливаться с использованием углекислого газа в качестве строительного материала в процессе, основанном на солнечной энергии. Эта работа вдохновлена ​​фиксацией углерода, набором химических реакций, которые растения используют для создания сахара из углекислого газа, используя энергию солнца.

В более долгосрочной перспективе этот подход может также использоваться для питания микро- или наноразмерных роботов. Лаборатория Страно уже начала создавать роботов такого масштаба, которые однажды можно будет использовать в качестве диагностических датчиков или датчиков окружающей среды. По его словам, идея о возможности извлекать энергию из окружающей среды для питания таких роботов очень привлекательна.

«Это означает, что вам не нужно размещать накопитель энергии на борту», ​​- говорит он . «Что нам нравится в этом механизме, так это то, что вы можете получать энергию, по крайней мере частично, из окружающей среды».

Исследование финансировалось Министерством энергетики США и грантом MIT Energy Initiative.

Источник: https://web.mit.edu/