Et nyt materiale lavet af kulstof nanorør kan generere elektricitet ved at fjerne energi fra dets miljø

MIT-ingeniører har opdaget en ny måde at generere elektricitet ved hjælp af små kulstofpartikler, der kan skabe en strøm blot ved at interagere med væske, der omgiver dem.

Væsken, et organisk opløsningsmiddel, trækker elektroner ud af partiklerne, generere en strøm, der kan bruges til at drive kemiske reaktioner eller til at drive mikro- eller nanoskala robotter, siger forskerne.

"Denne mekanisme er ny, og denne måde at generere energi på er helt ny, " siger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT. "Denne teknologi er spændende, fordi alt du skal gøre er at strømme et opløsningsmiddel gennem en seng af disse partikler. Dette giver dig mulighed for at lave elektrokemi, men uden ledninger."

I en ny undersøgelse, der beskriver dette fænomen, forskerne viste, at de kunne bruge denne elektriske strøm til at drive en reaktion kendt som alkoholoxidation - en organisk kemisk reaktion, der er vigtig i den kemiske industri.

Strano er ledende forfatter af papiret, som vises i dag i Naturkommunikation . De ledende forfattere af undersøgelsen er MIT kandidatstuderende Albert Tianxiang Liu og tidligere MIT-forsker Yuichiro Kunai. Andre forfattere inkluderer tidligere kandidatstuderende Anton Cottrill, postdocs Amir Kaplan og Hyunah Kim, kandidatstuderende Ge Zhang, og nylige MIT-kandidater Rafid Mollah og Yannick Eatmon.

Unikke egenskaber

Den nye opdagelse voksede ud af Stranos forskning i kulstofnanorør - hule rør lavet af et gitter af kulstofatomer, som har unikke elektriske egenskaber. I 2010 Strano demonstrerede, for første gang, at kulstof nanorør kan generere "termokraftbølger." Når et kulstof nanorør er belagt med et lag brændstof, bevægelige varmeimpulser, eller termokraftbølger, rejse langs røret, skabe en elektrisk strøm.

Dette arbejde fik Strano og hans elever til at afsløre en beslægtet egenskab ved kulstofnanorør. De fandt ud af, at når en del af et nanorør er belagt med en teflon-lignende polymer, det skaber en asymmetri, der gør det muligt for elektroner at strømme fra den coatede til den ubelagte del af røret, genererer en elektrisk strøm. Disse elektroner kan trækkes ud ved at nedsænke partiklerne i et opløsningsmiddel, der er sulten efter elektroner.

For at udnytte denne særlige evne, forskerne skabte elektricitetsgenererende partikler ved at male kulstofnanorør og forme dem til et ark papirlignende materiale. Den ene side af hvert ark blev belagt med en teflon-lignende polymer, og forskerne skærer så små partikler ud, som kan have enhver form eller størrelse. Til denne undersøgelse, de lavede partikler, der var 250 mikron gange 250 mikron.

Når disse partikler er nedsænket i et organisk opløsningsmiddel såsom acetonitril, opløsningsmidlet klæber til den ubelagte overflade af partiklerne og begynder at trække elektroner ud af dem.

"Opløsningsmidlet fjerner elektroner, og systemet forsøger at ækvilibrere ved at flytte elektroner, " siger Strano. "Der er ingen sofistikeret batterikemi indeni. Det er bare en partikel, og du putter den i opløsningsmiddel, og den begynder at generere et elektrisk felt."

Partikelkraft

Den nuværende version af partiklerne kan generere omkring 0,7 volt elektricitet pr. partikel. I dette studie, forskerne viste også, at de kan danne arrays af hundredvis af partikler i et lille reagensglas. Denne "packed bed" reaktor genererer nok energi til at drive en kemisk reaktion kaldet en alkoholoxidation, hvor en alkohol omdannes til et aldehyd eller en keton. Som regel, denne reaktion udføres ikke ved hjælp af elektrokemi, fordi den ville kræve for meget ekstern strøm.

"Fordi den pakkede lejereaktor er kompakt, den har mere fleksibilitet med hensyn til anvendelser end en stor elektrokemisk reaktor, " siger Zhang. "Partiklerne kan gøres meget små, og de kræver ingen eksterne ledninger for at drive den elektrokemiske reaktion."

I det fremtidige arbejde, Strano håber at bruge denne form for energiproduktion til at bygge polymerer, der kun bruger kuldioxid som udgangsmateriale. I et relateret projekt, han har allerede skabt polymerer, der kan regenerere sig selv ved hjælp af kuldioxid som byggemateriale, i en proces drevet af solenergi. Dette værk er inspireret af carbonfiksering, det sæt af kemiske reaktioner, som planter bruger til at bygge sukker fra kuldioxid, ved at bruge energi fra solen.

På længere sigt, denne tilgang kunne også bruges til at drive mikro- eller nanoskalarobotter. Stranos laboratorium er allerede begyndt at bygge robotter i den skala, som en dag kunne bruges som diagnostiske eller miljømæssige sensorer. Ideen om at kunne fjerne energi fra miljøet for at drive denne slags robotter er tiltalende, han siger.

"Det betyder, at du ikke behøver at lægge energilageret ombord, " siger han. "Det, vi kan lide ved denne mekanisme, er, at du kan tage energien, i hvert fald delvist, fra miljøet."