Er zijn veel manieren om elektriciteit op te wekken:batterijen, zonnepanelen, windturbines, en hydro-elektrische dammen, om een ​​paar voorbeelden te noemen... en nu, er is roest.

Nieuw onderzoek uitgevoerd door wetenschappers van Caltech en Northwestern University toont aan dat dunne lagen roest - ijzeroxide - elektriciteit kunnen opwekken wanneer er zout water overheen stroomt. Deze films vertegenwoordigen een geheel nieuwe manier van elektriciteitsopwekking en zouden kunnen worden gebruikt om nieuwe vormen van duurzame energieproductie te ontwikkelen.

Interacties tussen metaalverbindingen en zout water wekken vaak elektriciteit op, maar dit is meestal het resultaat van een chemische reactie waarbij een of meer verbindingen worden omgezet in nieuwe verbindingen. Dit soort reacties is wat er in batterijen aan het werk is.

In tegenstelling tot, het fenomeen ontdekt door Tom Miller, Caltech hoogleraar scheikunde, en Frans Geiger, Dow hoogleraar scheikunde bij Northwestern, houdt geen chemische reacties in, maar zet eerder de kinetische energie van stromend zout water om in elektriciteit.

Het fenomeen, het elektrokinetische effect, is eerder waargenomen in dunne films van grafeen - vellen koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal rooster - en het is opmerkelijk efficiënt. Het effect is ongeveer 30 procent efficiënt bij het omzetten van kinetische energie in elektriciteit. Als referentie, de beste zonnepanelen zijn slechts ongeveer 20 procent efficiënt.

"Een soortgelijk effect is gezien in sommige andere materialen. Je kunt een druppel zout water nemen en het over grafeen slepen en wat elektriciteit zien opgewekt, ' zegt Molenaar.

Echter, het is moeilijk om grafeenfilms te fabriceren en op te schalen tot bruikbare formaten. De door Miller en Geiger ontdekte ijzeroxidefilms zijn relatief eenvoudig te produceren en schaalbaar tot grotere formaten, zegt Molenaar.

"Het is eigenlijk gewoon roest op ijzer, dus het is vrij eenvoudig te maken in grote gebieden, ", zegt Miller. "Dit is een meer robuuste implementatie van wat we in grafeen zien."

Hoewel roest zich vanzelf op ijzerlegeringen zal vormen, het team moest ervoor zorgen dat het in een consistent dunne laag werd gevormd. Om dat te doen, ze gebruikten een proces dat fysieke dampafzetting (PVD) wordt genoemd, die normaal gesproken vaste materialen verandert, in dit geval ijzeroxide, in een damp die condenseert op een gewenst oppervlak. Met PVD konden ze een ijzeroxidelaag van 10 nanometer dik maken, ongeveer 10 duizend keer dunner dan een mensenhaar.

Toen ze dat verroeste ijzer namen en er zoutwateroplossingen van verschillende concentraties overheen stroomden, ze ontdekten dat het enkele tientallen millivolts en verschillende microampères per cm-2 genereerde.

"Voor perspectief, platen met een oppervlakte van elk 10 vierkante meter zouden een paar kilowattuur genereren - genoeg voor een standaard Amerikaans huis, " zegt Miller. "Natuurlijk, minder veeleisende toepassingen, inclusief apparaten met een laag stroomverbruik op afgelegen locaties, zijn veelbelovend op de korte termijn."

Het mechanisme achter de elektriciteitsopwekking is complex, met ionenadsorptie en desorptie, maar het werkt in wezen als volgt:de ionen die in zout water aanwezig zijn, trekken elektronen aan in het ijzer onder de roestlaag. Terwijl het zoute water stroomt, dat doen die ionen ook, en door die aantrekkingskracht, ze slepen de elektronen in het ijzer mee, het opwekken van een elektrische stroom.

Miller zegt dat dit effect nuttig kan zijn in specifieke scenario's waar er bewegende zoutoplossingen zijn, zoals in de oceaan of het menselijk lichaam.

"Bijvoorbeeld, getijdenenergie, of dingen die in de oceaan dobberen, zoals boeien, kan worden gebruikt voor passieve elektrische energieomzetting, "zegt hij. "Je hebt zout water dat in periodieke pulsen door je aderen stroomt. Dat zou kunnen worden gebruikt om elektriciteit op te wekken voor het aandrijven van implantaten."

Het document waarin hun bevindingen worden beschreven, getiteld "Energieconversie via metalen nanolagen, " verschijnt in het 29 juli nummer van de Proceedings van de National Academy of Sciences .