25 юни 2021
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Напълно нов начин за производство на електроенергия е открит от инженери в MIT

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 11 юни 2021 в 06:25 110830
Инженери от MIT са открили начин за генериране на електричество, използвайки малки въглеродни частици, които могат да създадат електрически ток, просто като взаимодействат с органичен разтворител, в който плават. Частиците са направени от натрошени въглеродни нанотръби (сини), покрити с тефлоноподобен полимер (зелен). Кредит: Jose-Luis Olivares, MIT

Малки частици задвижват химически реакции

Нов материал, направен от въглеродни нанотръби, може да генерира електричество чрез извличане на енергия от околната среда.

Инженери от Масачузетския технологичен институт откриват нов начин за генериране на електричество, използвайки малки въглеродни частици, които могат да създадат ток само чрез взаимодействие с течността, която ги заобикаля.

Течността, органичен разтворител, извлича електрони от частиците, генерирайки ток, който може да се използва за задвижване на химични реакции или за захранване на микро- или наномащабни роботи, обясняват изследователите.

„Този ​​механизъм е нов и този начин на генериране на енергия е напълно нов“, подчертава Майкъл Страно (Michael Strano), професор по химическо инженерство в MIT. „Тази технология е интригуваща, защото всичко, което трябва да се направи, е да се прекара разтворител през слой от тези частици. Това позволява да се задейства електрохимия, но без жици".

В ново проучване, описващо този феномен, изследователите показват, че могат да използват този електрически ток, за да предизвикат реакция, известна като алкохолно окисление - органична химическа реакция, която е важна в химическата индустрия.

Страно е водещ автор на статията, публикувана в Nature Communications. Водещите автори на изследването са аспирантът от Масачузетския технологичен институт Албърт Тиансян Лиу (Albert Tianxiang Liu) и бившият изследовател на Масачузетския технологичен институт Юичиро Кунай (Yuichiro Kunai) . 

Новото откритие е резултат от изследванията на Страно върху въглеродни нанотръби - субмикроскопични кухи тръби, направени от решетка от въглеродни атоми, подобна на кокоша мрежа. Тези тръбички с диаметър само няколко милиардни части от метъра (нанометри) са част от семейство нови въглеродни молекули, включително графеновите листове, които са обект на интензивни световни изследвания през последните две десетилетия.

Откритието на по-рано неизвестно явление

През 2010 г. Страно за първи път демонстрира, че въглеродните нанотръби могат да генерират „термоелектрически вълни“.

При тогавашните експерименти всяка от тези електрически и топлопроводими нанотръби е покрита със слой от реактивно гориво, което може да произвежда топлина чрез разлагане. После това гориво се запалва в единия край на нанотръбата с помощта или на лазерен лъч, или на искра с високо напрежение. Резултатът е топлинна вълна, която се движи бързо по дължината на въглеродната нанотръба като пламък, ускоряващ се по дължината на фитил. Топлината от горивото отива в нанотръбата, където тя се движи хиляди пъти по-бързо, отколкото в самото гориво. Тъй като топлината се връща обратно към горивното покритие, се създава термична вълна, която се води по нанотръбата. С температура от 3000 келвина, този пръстен от топлина се ускорява по тръбата 10 000 пъти по-бързо от нормалното разпространение на тази химическа реакция. Оказва се, че топлината, произведена от това изгаряне, също така изтласква електроните по тръбата, създавайки значителен електрически ток. В първоначалните експерименти на екипът свързва въглеродните нанотръби с тяхното горимо покритие, за да проучат реакцията и „наистина бяхме изненадани от размера на получения пик на напрежение“, разпространяващ се по провода, разказва Страно.

Термичната вълна, обяснява той, изглежда увлича носителите на електрически заряд (или електрони, или електронни дупки) точно както океанската вълна може да увлече и понесе купчина отломки на повърхността си. Това важно свойство е отговорно за високата мощност, произведена от системата, обяснява Страно.

Вълните като този топлинен импулс, преминаващ по провода - „се изучават математически повече от 100 години“, разказва Страно, но той е първият, който предсказва, че такива вълни могат да бъдат направлявани от нанотръба или нанопровод и че тази топлинна вълна може да тласне електрически ток по този проводник.

Въглеродната нанотръба (показана на илюстрацията) може да произведе много бърза вълна на мощност, когато е покрита със слой гориво и запалена, така че топлината да се движи по тръбата. Кредит: Christine Daniloff

Уникални свойства

Сега Страно и неговите сътрудници се опитват да разкрият свързана характеристика на въглеродните нанотръби. Те откриват, че когато част от нанотръбата е покрита с тефлоноподобен полимер, това създава асиметрия, която прави възможно електроните да текат от покритата към непокритата част на тръбата, генерирайки електрически ток. Тези електрони могат да бъдат изтеглени чрез потапяне на частиците в разтворител, който е "гладен" за електрони.

За да се възползват от тази специална способност, изследователите създават частици, генериращи електричество, чрез смилане на въглеродни нанотръби и оформянето им в лист от подобен на хартия материал. Едната страна на всеки лист е покрита с подобен на тефлон полимер и след това изследователите изрязват малки частици с всякаква форма или размер. За това проучване те изработват частици, 250 микрона на 250 микрона.

Когато тези частици са потопени в органичен разтворител като ацетонитрил, разтворителят се прилепва към непокритата повърхност на частиците и започва да извлича електрони от тях.

„Разтворителят отнема електроните и системата се опитва да уравновеси това чрез движение на електрони“, разказва Страно. „Няма никаква сложна химия като при батериите. Това е само частица и я поставяте в разтворител и тя започва да генерира електрическо поле".

„Това изследване умело показва как да се извлече повсеместната (и често незабелязана) електрическа енергия, съхранявана в електронен материал за електрохимичен синтез на място“, обяснява Дзюн Яо (Jun Yao), асистент по електротехника и компютърно инженерство в Университета на Масачузетс в Амхърст, неучаствал в проучването. „Красотата е, че то сочи към обща методология, която може лесно да бъде разширена до използването на различни материали и приложения в различни синтетични системи“. 

Мощността на частиците

Текущата версия на частиците може да генерира около 0,7 волта електричество на частица. В това проучване изследователите също така показват, че могат да образуват масиви от стотици частици в малка тестова тръба. Този реактор генерира достатъчно енергия за задействане на химична реакция, наречена алкохолно окисление, при която алкохолът се превръща в алдехид или кетон. Обикновено тази реакция не се извършва с помощта на електрохимия, тъй като ще изисква твърде много външен ток.

„Тъй като натъпканият реактор е компактен, той има по-голяма гъвкавост по отношение на приложенията, отколкото голям електрохимичен реактор“, отбелязва Гъ Джан (Ge Zhang) от MIT. „Частиците могат да бъдат направени много малки и не се нуждаят от външни проводници, за да задвижат електрохимичната реакция“.

Бъдещи приложения

В бъдеща работа Страно се надява да използва този вид производство на енергия за изграждане на полимери, използващи само въглероден диоксид като изходен материал. В свързан проект той вече е създал полимери, които могат да се регенерират, използвайки въглероден диоксид като строителен материал, в процес, задвижван от слънчева енергия. Тази работа е вдъхновена от въглеродната фиксация, набор от химични реакции, които растенията използват за изграждане на захари от въглероден диоксид, използвайки енергия от слънцето.

В дългосрочен план този подход може да се използва и за захранване на микро- или наномащабни роботи. Лабораторията на Страно вече е започнала да изгражда роботи в такъв мащаб, които един ден могат да бъдат използвани като диагностични или екологични сензори. Идеята да можем да извличаме енергия от околната среда, за да захранваме тези роботи, е твърде привлекателна, коментира Страно.

"Това означава, че не е нужно да поставяте акумулатора на енергия", отбелязва той. „Това, което ни харесва в този механизъм, е, че може да  се вземе енергията, поне отчасти, от околната среда.“

Справка: „Solvent-induced electrochemistry at an electrically asymmetric carbon Janus particle” by Albert Tianxiang Liu, Yuichiro Kunai, Anton L. Cottrill, Amir Kaplan, Ge Zhang, Hyunah Kim, Rafid S. Mollah, Yannick L. Eatmon and Michael S. Strano, 7 June 2021, Nature Communications.

DOI: 10.1038/s41467-021-23038-7

Източник: MIT Engineers Have Discovered a Completely New Way of Generating Electricity, Scitech daily


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.