MIT-ingenieurs hebben een nieuwe manier ontdekt om elektriciteit op te wekken met behulp van kleine koolstofdeeltjes die een stroom kunnen creëren door simpelweg te interageren met de vloeistof eromheen.

De vloeistof, een organisch oplosmiddel, trekt elektronen uit de deeltjes, het genereren van een stroom die kan worden gebruikt om chemische reacties aan te drijven of om robots op micro- of nanoschaal aan te drijven, zeggen de onderzoekers.

"Dit mechanisme is nieuw, en deze manier van energie opwekken is helemaal nieuw, " zegt Michael Strano, de Carbon P. Dubbs hoogleraar chemische technologie aan het MIT. "Deze technologie is intrigerend omdat je alleen maar een oplosmiddel door een bed van deze deeltjes hoeft te laten stromen. Hierdoor kun je elektrochemie doen, maar zonder draden."

In een nieuwe studie die dit fenomeen beschrijft, de onderzoekers toonden aan dat ze deze elektrische stroom konden gebruiken om een ​​reactie aan te sturen die bekend staat als alcoholoxidatie - een organisch chemische reactie die belangrijk is in de chemische industrie.

Strano is de senior auteur van het artikel, die vandaag verschijnt in Natuurcommunicatie . De hoofdauteurs van de studie zijn MIT-afgestudeerde student Albert Tianxiang Liu en voormalig MIT-onderzoeker Yuichiro Kunai. Andere auteurs zijn onder meer voormalig afgestudeerde student Anton Cottrill, postdocs Amir Kaplan en Hyunah Kim, afgestudeerde student Ge Zhang, en recente MIT-afgestudeerden Rafid Mollah en Yannick Eatmon.

Unieke eigenschappen

De nieuwe ontdekking kwam voort uit Strano's onderzoek naar koolstofnanobuisjes - holle buizen gemaakt van een rooster van koolstofatomen, die unieke elektrische eigenschappen hebben. In 2010, Strano demonstreerde, Voor de eerste keer, dat koolstofnanobuisjes "thermokrachtgolven" kunnen genereren. Wanneer een koolstofnanobuis is bedekt met een laag brandstof, bewegende pulsen van warmte, of thermopower golven, reis langs de buis, het creëren van een elektrische stroom.

Dat werk bracht Strano en zijn studenten ertoe een verwant kenmerk van koolstofnanobuisjes te ontdekken. Ze ontdekten dat wanneer een deel van een nanobuisje wordt gecoat met een teflonachtig polymeer, het creëert een asymmetrie die het mogelijk maakt dat elektronen van het gecoate naar het ongecoate deel van de buis stromen, het opwekken van een elektrische stroom. Die elektronen kunnen eruit worden gehaald door de deeltjes onder te dompelen in een oplosmiddel dat hongerig is naar elektronen.

Om dit speciale vermogen te benutten, de onderzoekers creëerden elektriciteitopwekkende deeltjes door koolstofnanobuisjes te vermalen tot een vel papierachtig materiaal. Eén zijde van elk vel was gecoat met een Teflon-achtig polymeer, en de onderzoekers sneden er vervolgens kleine deeltjes uit, die elke vorm of grootte kan hebben. Voor deze studie is ze maakten deeltjes van 250 micron bij 250 micron.

Wanneer deze deeltjes worden ondergedompeld in een organisch oplosmiddel zoals acetonitril, het oplosmiddel hecht aan het onbeklede oppervlak van de deeltjes en begint elektronen eruit te trekken.

"Het oplosmiddel neemt elektronen weg, en het systeem probeert te equilibreren door elektronen te verplaatsen, " zegt Strano. "Er zit geen geavanceerde batterijchemie in. Het is maar een deeltje en je stopt het in oplosmiddel en het begint een elektrisch veld te genereren."

Deeltjeskracht

De huidige versie van de deeltjes kan per deeltje ongeveer 0,7 volt elektriciteit opwekken. In dit onderzoek, de onderzoekers toonden ook aan dat ze arrays van honderden deeltjes kunnen vormen in een kleine reageerbuis. Deze reactor met een "gepakt bed" genereert genoeg energie om een ​​chemische reactie aan te drijven die alcoholoxidatie wordt genoemd. waarin een alcohol wordt omgezet in een aldehyde of een keton. Gebruikelijk, deze reactie wordt niet uitgevoerd met behulp van elektrochemie omdat er te veel externe stroom voor nodig zou zijn.

"Omdat de gepakte bedreactor compact is, het heeft meer flexibiliteit qua toepassingen dan een grote elektrochemische reactor, " zegt Zhang. "De deeltjes kunnen heel klein worden gemaakt, en ze hebben geen externe draden nodig om de elektrochemische reactie aan te drijven."

Bij toekomstig werk, Strano hoopt dit soort energieopwekking te gebruiken om polymeren te bouwen met alleen koolstofdioxide als uitgangsmateriaal. In een verwant project, hij heeft al polymeren gemaakt die zichzelf kunnen regenereren met koolstofdioxide als bouwmateriaal, in een proces aangedreven door zonne-energie. Dit werk is geïnspireerd op koolstoffixatie, de reeks chemische reacties die planten gebruiken om suikers te maken uit koolstofdioxide, energie van de zon gebruiken.

Op langere termijn, deze benadering kan ook worden gebruikt om robots op micro- of nanoschaal aan te drijven. Strano's lab is al begonnen met het bouwen van robots op die schaal, die ooit als diagnostische of omgevingssensoren zouden kunnen worden gebruikt. Het idee om energie uit de omgeving te kunnen halen om dit soort robots aan te drijven is aantrekkelijk, hij zegt.

“Het betekent dat je de energieopslag niet aan boord hoeft te leggen, "zegt hij. "Wat we leuk vinden aan dit mechanisme is dat je de energie kunt nemen, althans gedeeltelijk, uit de omgeving."