Nat. Commun. | 一种碳纳米管新材料可以通过从环境中吸收能量来发电
导语
为现代生活中无处不在的设备（从智能手机、电脑到电动汽车）供电的电池大多由锂等有毒材料制成，这些材料难以处理且全球供应有限。现在，麻省理工学院的研究人员发现了一种使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可以产生电流。
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麻省理工学院的研究人员发现了一种使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可以产生电流。
研究人员说，这种液体是一种有机溶剂，从粒子中吸取电子，产生电流，可用于驱动化学反应或为微型或纳米级机器人提供动力。
“这种机制是新的，这种产生能量的方式也是全新的，”麻省理工学院化学工程教授 Michael Strano说。“这项技术很有趣，因为你所要做的就是让溶剂流过这些颗粒的床层。这让你可以在没有电线的情况下进行电化学。”
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醇氧化的反应——一种在化学工业中很重要的有机化学反应。
Strano 是该论文的通讯作者，该论文于近日发表在Nature Communications 上。该研究的主要作者是麻省理工学院研究生 Albert Tianxiang Liu 和前麻省理工学院研究员 Yuichiro Kunai。其他作者包括前研究生 Anton Cottrill、博士后 Amir Kaplan 和 Hyunah Kim、研究生 Ge Zhang，以及最近的麻省理工学院毕业生 Rafid Mollah 和 Yannick Eatmon。
独特的性质
这项新发现增长斯特拉诺的研究出来的碳纳米空心由碳原子构成的晶格的管子，其具有独特的电气性能。2010 年，斯特拉诺首次证明碳纳米管可以产生“热能波”。当碳纳米管涂上一层燃料时，移动的热脉冲或热电波沿管传播，产生电流。
这项新发现源于Strano对碳纳米管的研究。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，移动的热脉冲或热电波会沿着管传播，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的聚合物时，它会产生不对称性，使得电子可以从涂有涂层的部分流向未涂涂层的部分，从而产生电流。可以通过将粒子浸入需要电子的溶剂中来提取这些电子。
为了利用这种特性，研究人员通过研磨碳纳米管并将它们形成一张纸状材料来制造发电粒子。每张纸的一侧涂有类似特氟龙的聚合物，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250μm× 250μm的粒子。
当这些粒子被浸没在像乙腈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。
“溶剂带走电子，系统试图通过移动电子来达到平衡，”Strano说。“里面没有复杂的电池化学成分。它只是一个粒子，你把它放入溶剂中，它就开始产生电场。”
粒子功率
当前版本的粒子每个粒子可以产生大约 0.7 伏特的电力。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”反应器产生足够的能量来驱动一种叫做醇氧化的化学反应，在这种反应中，醇被转化为醛或酮。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。
“因为填充床反应器结构紧凑，它在应用方面比大型电化学反应器有更大的灵活性，”张说。“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希望利用这种发电方式来构建仅使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，即植物利用来自太阳的能量从二氧化碳中制造糖类的一系列化学反应。
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。Strano的实验室已经开始制造这种规模的机器人，这种机器人有朝一日可能被用作诊断或环境传感器。他说，能够从环境中获取能量来为这类机器人提供动力的想法很有吸引力。
“这意味着你不必在设备上安装储能装置，”他说。“我们喜欢这种机制的一点是，你可以从环境中获取能量，至少是部分能量。”
a) Janus微粒子在原位发电来驱动电化学氧化还原反应(例如，Fe2+→Fe3+或Cu2+→Cu0)，取代恒电位器作为电压源的示意图。b) Janus微粒的发电机理示意图。不对称化学掺杂是通过空间不对称聚合物涂层来实现的。吸附在o-SWNT表面的CH3CN分子引起的部分电子转移使电子密度从吸附位点上收回，从而降低了相应的费米能(EF)，按照规定的EF梯度产生电子流。c) 2个500µm × 250µm × 250µm o-SWNT/PTFE Janus粒子表面形貌(色条范围，0-500µm;比例条，100µm)。d) 拉曼光谱图显示了2个500µm × 250µm × 250µm o-SWNT/PTFE Janus粒子的o-SWNT侧G波段的强度(标尺，100µm)。e)扫描电镜显示Janus颗粒的o-SWNT/PTFE界面的垂直界面(尺度条，1µm)。f) Top: CH3CN暴露的o-SWNT (Raman 1)和聚合物保护的o-SWNT (Raman 2)的拉曼光谱测量G带移。注意到在聚合物保护侧打开了一个光谱窗口，以避免在拉曼测量中聚合物的干扰。刻度条，100µm。底部:暴露侧(左，拉曼1)和聚合物保护侧(右，拉曼2)的o-SWNT加CH3CN前(红色)和加CH3CN后(蓝色)的拉曼G带移。g) 上图:用于量化Janus粒子电输出的闭路测量原理图，将粒子放入CH3CN储层中，记录已知外部负载的电流和电压分布。底部:不同尺寸但长径比相同的粒子发生器(黑色或体积×1, 500µm × 250µm × 250µm;红色或体积×636µm×315µm×315µm,蓝色或体积×720µm×360µm×360µm)。h)上图:相同体积(2 mm3)，不同长宽比(AR) 0.5(蓝色)，1(红色)，2(黑色)的Janus粒子示意图。下图:上述三种粒子的电流-电压特性。误差条表示使用不同的设备副本(n = 3)进行不同测量的标准差。彩色的正方形表示如果外部电阻与设备内部电阻阻抗匹配，则每个AR下设备的最大输出功率。
相关文献
Liu, A.T., Kunai, Y., Cottrill, A.L. et al. Solvent-induced electrochemistry at an electrically asymmetric carbon Janus particle.
Nat Commun 12, 3415 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-23038-7
参考来源：phys.org