Когда мы думаем о ржавчине — оксиде железа — мы обычно говорим о ее негативных последствиях с точки зрения коррозии и разрушения материала. Но ржавчина имеет свое применение: в некоторых случаях она может функционировать в качестве защитного покрытия, а теперь, возможно, и в качестве источника альтернативной электроэнергии. Команда исследователей из Северо-Западного университета (при некоторой поддержке со стороны Caltech) разработала антикоррозийное покрытие, которое можно использовать для выработки электроэнергии с помощью потока соленой воды, преобразования кинетической энергии протекающих капель и, таким образом, чередования градиентов солености.
Эта схема не является более сложной версией классического школьного научного эксперимента на уроке химии, где разнородные металлические контакты, вставленные в лимон или картофель, генерируют небольшой ток, используя внутреннюю жидкость в качестве электролита. Здесь ионы, присутствующие в соленой воде, притягивают электроны в железе под слоем ржавчины. Когда соленая вода течет, ионы притягиваются, увлекаясь за электронами и генерируя электрический ток.
Этот «электрокинетический» эффект уже использовался с графеном, ультратонкими слоями чистого углерода, которые находят разнообразное применение. Однако масштабирование однослойного графена до приемлемых размеров является проблемой, и исследователи отмечают, что их пленки оксида железа легче производить.
Тем не менее, это не обычная «ржавчина», так как для этого необходим постоянно тонкий слой. Чтобы достичь этого, команда использовала процесс физического осаждения из паровой фазы, когда они сначала преобразовывали твердое железо в газ, а затем конденсировали этот пар на поверхности стекла, создавая слой железа толщиной от 10 до 30 нм. Затем оксидный слой самопроизвольно образуется на воздухе до толщины 2 нм и впоследствии перестает расти (рисунок ниже).
«Именно оксидный слой поверх нанометалла заставляет это устройство работать», — сказал руководитель проекта Франц М. Гейгер, профессор химии в Северо-западном колледже искусств и наук Вайнберга. «Вместо коррозии, присутствие оксидов на правильных металлах приводит к механизму, который блокирует электроны».
Он также отметил, что «более толстые пленки металла не вызывают реакции — это эффект наноограничения… мы обнаружили необходимый промежуток». Из изученных металлов исследователи обнаружили, что железо, никель и ванадий работают лучше всего. Они даже протестировали образец естественной ржавчины в качестве контрольного эксперимента, но он не генерировал ток.
Нанослои металлов для гравитационного преобразования в электрическую энергию: фотографии нанослоев железа и алюминия с указанной толщиной на предметных стеклах микроскопа над печатью Северо-Западного университета (A); фотография тефлоновой ячейки с проточным каналом (B). (Пунктирные линии показывают положение субстрата, а стрелки указывают направление потока воды.)
Они смогли создать потенциалы в несколько десятков милливольт и плотности тока в несколько мкА / см2 при скоростях потока всего лишь несколько см / сек на своем испытательном стенде (рисунок выше). Они протестировали как линейный поток с градиентами солености, так и колебательный поток постоянной солености (рисунок ниже).
Измерения тока и напряжения: ток, индуцированный в нанослойном слое Fe: FeOx с длиной волны 10 нм (3 × 1 дюйм) при протекании деионизированной (DI) воды при pH 5,8 в течение 20 с (синий сегмент) с последующим 20-секундным потоком 1 М NaCl удерживали при pH 7 (зеленый сегмент) и шести последующих повторностях, все с постоянной скоростью потока 20 мл / мин (A). График (B) такой же, как в (A), но измерен с использованием нанослоя Fe: FeOx толщиной 3 × 9 дюймов толщиной 10 нм при скорости потока 100 мл / мин и двух минутах между переключением концентрации соли. (C) график такой же, как в (B), но измеренный при скорости потока 35 мл / мин и постоянной концентрации соли 0,6 М при изменении направления потока каждые две минуты, отмеченные вертикальными пунктирными линиями.
Разумеется, что преобразование энергии не проходит бесследно. Необходимо работать в физическом смысле и затрачивать энергию для создания потока солевого раствора, если только он не поступает из свободно встречающихся источников, таких как осадки или океанические течения. Заявленная эффективность составляет около 30% на основе теоретического анализа и моделирования по сравнению с фактическими результатами. Это похоже на результаты, достигнутые с другими материалами, такими как углеродные нанотрубки и графен. Тем не менее, он использует гораздо более простую и недорогую одностадийную версию, которая также поддерживает масштабируемость и быструю реализацию вместо многоэтапной. Northwestern подал заявку на предварительный патент.
Исследователи утверждают, что поверхность площадью 10 квадратных метров (например, на крыше) может генерировать несколько киловатт-часов при соответствующем потоке, например, от осадков. Также профессор Гейгер отметил, что испытательный стенд, покрытый нанослоями металла, может производить микроампер или около того, что может соответствовать скачку кровяного давления при каждом сердцебиении. При ста тысячах таких ударов в день (100000) это примерно 0,1 А / день, которые можно хранить в конденсаторе для приведения в действие имплантированного устройства (такого как инсулиновая помпа) по требованию. В то же время член команды Том Миллер (профессор химии в Калифорнийском технологическом институте) предупредил, что в случае внедрения этого механизма в живой организм им придется бороться с образованием биопленок на поверхностях, которые могут ослабить эффект преобразования электричества.
