導語
為現代生活中無處不在的裝置（從智慧手機、電腦到電動汽車）供電的電池大多由鋰等有毒材料製成，這些材料難以處理且全球供應有限。現在，麻省理工學院的研究人員發現了一種使用微小碳粒子發電的新方法，這種方法只需與周圍的液體相互作用就可以產生電流。
圖片來源 | Pixabay/CC0 Public Domain
麻省理工學院的研究人員發現了一種使用微小碳粒子發電的新方法，這種方法只需與周圍的液體相互作用就可以產生電流。
研究人員說，
這種液體是一種有機溶劑，從粒子中吸取電子，產生電流，可用於驅動化學反應或為微型或奈米級機器人提供動力。
“這種機制是新的，這種產生能量的方式也是全新的，”麻省理工學院化學工程教授 Michael Strano說。“這項技術很有趣，因為你所要做的就是讓溶劑流過這些顆粒的床層。這讓你可以在沒有電線的情況下進行電化學。”
在一項描述這一現象的新研究中，研究人員表示，他們可以利用這種電流驅動一種被稱為醇氧化的反應——一種在化學工業中很重要的有機化學反應。
Strano 是該論文的通訊作者，該論文於近日發表在Nature Communications 上。該研究的主要作者是麻省理工學院研究生 Albert Tianxiang Liu 和前麻省理工學院研究員 Yuichiro Kunai。其他作者包括前研究生 Anton Cottrill、博士後 Amir Kaplan 和 Hyunah Kim、研究生 Ge Zhang，以及最近的麻省理工學院畢業生 Rafid Mollah 和 Yannick Eatmon。
獨特的性質
這項新發現增長斯特拉諾的研究出來的碳奈米空心由碳原子構成的晶格的管子，其具有獨特的電氣效能。2010 年，斯特拉諾首次證明碳奈米管可以產生“熱能波”。當碳奈米管塗上一層燃料時，移動的熱脈衝或熱電波沿管傳播，產生電流。
這項新發現源於Strano對碳奈米管的研究。2010年，Strano首次證明了碳奈米管可以產生“熱能波”。當碳奈米管被塗上一層燃料時，移動的熱脈衝或熱電波會沿著管傳播，從而產生電流。
這項工作使Strano和他的學生們發現了碳奈米管的一個相關特徵。他們發現，
當奈米管的一部分塗上一層類似特氟隆的聚合物時，它會產生不對稱性，使得電子可以從塗有塗層的部分流向未塗塗層的部分，從而產生電流。
可以透過將粒子浸入需要電子的溶劑中來提取這些電子。
為了利用這種特性，研究人員透過研磨碳奈米管並將它們形成一張紙狀材料來製造發電粒子。每張紙的一側塗有類似特氟龍的聚合物，然後研究人員切割出各種形狀和大小的小顆粒。在這項研究中，他們製造了250μm× 250μm的粒子。
當這些粒子被浸沒在像乙腈這樣的有機溶劑中時，溶劑會附著在粒子未被塗覆的表面，並開始將電子從粒子中抽出。
“溶劑帶走電子，系統試圖透過移動電子來達到平衡，”Strano說。“裡面沒有複雜的電池化學成分。它只是一個粒子，你把它放入溶劑中，它就開始產生電場。”
粒子功率
當前版本的粒子每個粒子可以產生大約 0.7 伏特的電力。
在這項研究中，研究人員還表明，他們可以在一個小試管中形成數百個粒子的陣列。這種“填充床”反應器產生足夠的能量來驅動一種叫做醇氧化的化學反應，在這種反應中，醇被轉化為醛或酮。通常，這個反應不是透過電化學進行的，因為它需要太多的外部電流。
“因為填充床反應器結構緊湊，它在應用方面比大型電化學反應器有更大的靈活性，”張說。“這些粒子可以被製造得非常小，它們不需要任何外部電線來驅動電化學反應。”
在未來的工作中，Strano
希望利用這種發電方式來構建僅使用二氧化碳作為起始材料的聚合物。
在一個相關的專案中，他已經用二氧化碳作為建築材料創造出了可以自我再生的聚合物，該過程由太陽能提供動力。這項工作的靈感來自碳固定，即植物利用來自太陽的能量從二氧化碳中製造糖類的一系列化學反應。
從長遠來看，這種方法也可以用於為微型或奈米級機器人提供動力。
Strano的實驗室已經開始製造這種規模的機器人，這種機器人有朝一日可能被用作診斷或環境感測器。他說，能夠從環境中獲取能量來為這類機器人提供動力的想法很有吸引力。
“這意味著你不必在裝置上安裝儲能裝置，”他說。“我們喜歡這種機制的一點是，你可以從環境中獲取能量，至少是部分能量。”
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Janus微粒子在原位發電來驅動電化學氧化還原反應（例如，Fe2+→Fe3+或Cu2+→Cu0），取代恆電位器作為電壓源的示意圖。
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Janus微粒的發電機理示意圖。不對稱化學摻雜是透過空間不對稱聚合物塗層來實現的。吸附在o-SWNT表面的CH3CN分子引起的部分電子轉移使電子密度從吸附位點上收回，從而降低了相應的費米能（EF），按照規定的EF梯度產生電子流。
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2個500µm × 250µm × 250µm o-SWNT/PTFE Janus粒子表面形貌（色條範圍，0-500µm；比例條，100µm）。
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拉曼光譜圖顯示了2個500µm × 250µm × 250µm o-SWNT/PTFE Janus粒子的o-SWNT側G波段的強度（標尺，100µm）。
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掃描電鏡顯示Janus顆粒的o-SWNT/PTFE介面的垂直介面（尺度條，1µm）。
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Top： CH3CN暴露的o-SWNT （Raman 1）和聚合物保護的o-SWNT （Raman 2）的拉曼光譜測量G帶移。注意到在聚合物保護側打開了一個光譜視窗，以避免在拉曼測量中聚合物的干擾。刻度條，100µm。底部：暴露側（左，拉曼1）和聚合物保護側（右，拉曼2）的o-SWNT加CH3CN前（紅色）和加CH3CN後（藍色）的拉曼G帶移。
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上圖：用於量化Janus粒子電輸出的閉路測量原理圖，將粒子放入CH3CN儲層中，記錄已知外部負載的電流和電壓分佈。底部：不同尺寸但長徑比相同的粒子發生器（黑色或體積×1， 500µm × 250µm × 250µm；紅色或體積×636µm×315µm×315µm，藍色或體積×720µm×360µm×360µm）。
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上圖：相同體積（2 mm3），不同長寬比（AR） 0。5（藍色），1（紅色），2（黑色）的Janus粒子示意圖。下圖：上述三種粒子的電流-電壓特性。誤差條表示使用不同的裝置副本（n = 3）進行不同測量的標準差。彩色的正方形表示如果外部電阻與裝置內部電阻阻抗匹配，則每個AR下裝置的最大輸出功率。
相關文獻
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）。
參考來源：phys。org
