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新方法可利用微小碳粒子发电:只需与周围的液体相互作用,就能产生电流

前瞻网    2021-06-09 13:31

麻省理工学院的工程师们发现了一种利用微小碳粒子发电的新方法,这种方法只需与周围的液体相互作用就能产生电流。

研究人员称,这种液体是一种有机溶剂,可以从粒子中吸取电子、产生电流。这种电流可以用来驱动化学反应,或为微型或纳米级机器人提供动力。

新方法可利用微小碳粒子发电:只需与周围的液体相互作用,就能产生电流

在一项描述这一现象的新研究中,研究人员表示,他们可以利用这种电流驱动一种被称为“酒精氧化”(alcohol oxidation)的反应——一种在化学工业中很重要的有机化学反应。

这项新发现源于斯特拉诺对碳纳米管的研究。碳纳米管是由碳原子晶格制成的空心管,具有独特的电性能。2010年,Strano首次证明了碳纳米管可以产生“热能波”——当碳纳米管被涂上一层燃料时,移动的热脉冲或热动力波会沿着管传播,从而产生电流。

这项工作使Strano和他的学生们发现了碳纳米管的一个相关特征。他们发现,当纳米管的一部分涂上一层类似特氟隆(Teflon)的聚合物时,会产生一种不对称,使得电子有可能从涂有涂层的部分流向未涂涂层的部分,从而产生电流。这些电子可以通过将粒子浸入急需电子的溶剂中,来进行提取。

为了利用这种特殊的能力,研究人员将碳纳米管磨碎,并将其制成一张纸状材料,从而制造出发电粒子。每块薄片的一面都涂上了一层类似特氟隆的聚合物,然后研究人员切割出各种形状和大小的小颗粒。在这项研究中,他们制造了250微米× 250微米的粒子。

当这些粒子被浸没在像乙腈(acetonitrile)这样的有机溶剂中时,溶剂会附着在粒子未被涂覆的表面,并开始将电子从粒子中抽出。“你把它放到溶剂中,它就开始产生电场。”

目前,每个粒子可以产生约0.7伏特的电。在这项研究中,研究人员还表明,他们可以在一个小试管中形成数百个粒子的阵列。这种“填充床”(packed bed)反应器能产生足够的能量,来驱动一种叫做醇氧化(alcohol oxidation)的化学反应,在这种反应中,醇被转化为醛(aldehyde)或酮(ketone)。通常,这个反应不是通过电化学进行的,因为它需要太多的外部电流。

研究人员指出,因为“填充床”反应器是紧凑的,它在应用方面比大型电化学反应器有更大的灵活性。“这些粒子可以被制造得非常小,它们不需要任何外部电线来驱动电化学反应。”

在未来的工作中,Strano希望利用这种能量产生来制造只用二氧化碳作为起始材料的聚合物。在一个相关的项目中,他已经用二氧化碳作为建筑材料创造出了可以自我再生的聚合物,该过程由太阳能提供动力。这项工作的灵感来自碳固定,这是一组化学反应:植物利用来自太阳的能量,从二氧化碳中生成糖。

从长远来看,这种方法也可以用于为微型或纳米级机器人提供动力。其实验室已经开始制造这种规模的机器人,有朝一日可能被用作诊断或环境传感器。他说,能够直接从环境中获取能量来驱动这类机器人的想法,对很多场景都很有吸引力。

译/前瞻经济学人APP资讯组

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