Ultratynde lag af rust genererer elektricitet fra strømmende vand

Der er mange måder at generere elektricitet på – batterier, solpaneler, vindturbine, og vandkraftdæmninger, for at nævne et par eksempler... og nu, der er rust.

Ny forskning udført af forskere ved Caltech og Northwestern University viser, at tynde film af rust - jernoxid - kan generere elektricitet, når saltvand flyder over dem. Disse film repræsenterer en helt ny måde at generere elektricitet på og kan bruges til at udvikle nye former for bæredygtig elproduktion.

Interaktioner mellem metalforbindelser og saltvand genererer ofte elektricitet, men dette er normalt resultatet af en kemisk reaktion, hvor en eller flere forbindelser omdannes til nye forbindelser. Reaktioner som disse er, hvad der virker inde i batterier.

I modsætning, fænomenet opdaget af Tom Miller, Caltech professor i kemi, og Franz Geiger, Dow professor i kemi ved Northwestern, involverer ikke kemiske reaktioner, men omsætter snarere den kinetiske energi fra strømmende saltvand til elektricitet.

Fænomenet, den elektrokinetiske effekt, er blevet observeret før i tynde film af grafen - plader af kulstofatomer arrangeret i et sekskantet gitter - og det er bemærkelsesværdigt effektivt. Effekten er omkring 30 procent effektiv til at omdanne kinetisk energi til elektricitet. Til reference, de bedste solpaneler er kun omkring 20 procent effektive.

"En lignende effekt er set i nogle andre materialer. Du kan tage en dråbe saltvand og trække den hen over grafen og se noget elektricitet genereret, " siger Miller.

Imidlertid, det er svært at fremstille grafenfilm og skalere dem op til brugbare størrelser. Jernoxidfilmene opdaget af Miller og Geiger er relativt nemme at producere og skalerbare til større størrelser, siger Miller.

"Det er dybest set bare rust på jern, så det er ret nemt at lave på store områder, " siger Miller. "Dette er en mere robust implementering af det, der ses i grafen."

Selvom rust vil danne sig på jernlegeringer af sig selv, holdet var nødvendigt for at sikre, at det blev dannet i et konsekvent tyndt lag. At gøre det, de brugte en proces kaldet fysisk dampaflejring (PVD), der bliver normalt faste materialer, i dette tilfælde jernoxid, til en damp, der kondenserer på en ønsket overflade. PVD tillod dem at skabe et jernoxidlag på 10 nanometer tykt, omkring 10 tusind gange tyndere end et menneskehår.

Da de tog det rustbelagte jern og flød saltvandsopløsninger af varierende koncentrationer over det, de fandt ud af, at den genererede adskillige tiere af millivolt og adskillige mikroampere pr. cm-2.

"For perspektiv, plader med et areal på 10 kvadratmeter hver ville generere et par kilowatt-timer – nok til et almindeligt amerikansk hjem, " siger Miller. "Selvfølgelig, mindre krævende applikationer, inklusive enheder med lavt strømforbrug på fjerntliggende steder, er mere lovende på kort sigt."

Mekanismen bag elproduktionen er kompleks, involverer ionadsorption og desorption, men det fungerer i bund og grund sådan her:Ionerne i saltvand tiltrækker elektroner i jernet under rustlaget. Mens saltvandet strømmer, det gør de ioner også, og gennem den tiltrækningskraft, de trækker elektronerne i jernet med sig, genererer en elektrisk strøm.

Miller siger, at denne effekt kan være nyttig i specifikke scenarier, hvor der er bevægelige saltvandsopløsninger, som i havet eller menneskekroppen.

"For eksempel, tidevandsenergi, eller ting, der dupper i havet, som bøjer, kan bruges til passiv elektrisk energikonvertering, " siger han. "Du har saltvand, der flyder i dine årer i periodiske pulser. Det kunne bruges til at generere elektricitet til at drive implantater."

Avisen beskriver deres resultater, med titlen "Energikonvertering via metalnanolag, " vises i 29. juli-udgaven af Proceedings of the National Academy of Sciences .