Есть много способов генерировать электроэнергию - батареи, солнечные панели, ветряные турбины и плотины гидроэлектростанций, чтобы назвать несколько примеров. …. А теперь ржавчина.
Новое исследование, проведенное учеными Калифорнийского технологического института и Северо-Западного университета, показывает, что тонкие пленки ржавчины - оксида железа - могут генерировать электричество, когда по ним течет соленая вода. Эти фильмы представляют собой совершенно новый способ производства электроэнергии и могут быть использованы для разработки новых форм устойчивого производства энергии.
Взаимодействия между соединениями металлов и соленой водой часто генерируют электричество, но обычно это результат химической реакции, в которой одно или несколько соединений превращаются в новые соединения. Подобные реакции - это то, что происходит внутри батарей.
Напротив, явление, открытое Томом Миллером, профессором химии Калифорнийского технологического института, и Францем Гейгером, профессором химии Доу в Северо-Западном университете, не связано с химическими реакциями, а скорее преобразует кинетическую энергию текущей соленой воды в электричество.
Явление, электрокинетический эффект, наблюдалось ранее в тонких пленках графена - листах атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке - и оно удивительно эффективно. Эффект примерно на 30 процентов эффективен при преобразовании кинетической энергии в электричество. Для справки: эффективность лучших солнечных панелей составляет всего около 20 процентов.
«Похожий эффект наблюдался и в некоторых других материалах. Вы можете взять каплю соленой воды и провести ею по графену, и вы увидите, как вырабатывается электричество», - говорит Миллер.
Однако трудно изготовить графеновые пленки и масштабировать их до пригодных для использования размеров. По словам Миллера, пленки оксида железа, открытые Миллером и Гейгером, относительно легко производить, и их можно масштабировать до больших размеров.
«По сути, это просто ржавчина на железе, поэтому ее довольно легко получить на больших площадях», - говорит Миллер. «Это более надежная реализация того, что можно увидеть в графене».
Хотя ржавчина будет образовываться на железных сплавах сама по себе, команда должна была обеспечить ее постоянное тонкое покрытие. Для этого они использовали процесс, называемый физическим осаждением из паровой фазы (PVD), который превращает обычно твердые материалы, в данном случае оксид железа, в пар, который конденсируется на желаемой поверхности. PVD позволил создать слой оксида железа толщиной 10 нанометров, что примерно в 10 тысяч раз тоньше человеческого волоса.
Когда они взяли это покрытое ржавчиной железо и пролили на него растворы соленой воды различной концентрации, они обнаружили, что оно генерирует несколько десятков милливольт и несколько микроампер на см-2.
«В перспективе пластины площадью 10 квадратных метров каждая будут генерировать несколько киловатт в час - достаточно для стандартного дома в США», - говорит Миллер.«Конечно, менее требовательные приложения, в том числе маломощные устройства в удаленных местах, более перспективны в ближайшем будущем».
Механизм генерации электричества сложен и включает адсорбцию и десорбцию ионов, но в основном он работает следующим образом: ионы, присутствующие в соленой воде, притягивают электроны в железе под слоем ржавчины. По мере того, как течет соленая вода, текут и эти ионы, и благодаря этой силе притяжения они увлекают за собой электроны в железе, генерируя электрический ток..
Миллер говорит, что этот эффект может быть полезен в определенных сценариях, где есть движущиеся солевые растворы, например, в океане или в человеческом теле.
«Например, энергия приливов или что-то, качающееся в океане, например, буи, можно использовать для пассивного преобразования электрической энергии», - говорит он. «В ваших венах периодически пульсирует соленая вода. Ее можно использовать для выработки электричества для питания имплантатов."