MIT 엔지니어들은 전기를 생산하는 완전히 새로운 방법을 발견했습니다

작은 분자가 화학 반응에 작용

탄소 나노 튜브로 만든 신소재는 환경에서 에너지를 빼앗아 전기를 생산할 수 있습니다.

와 엔지니어들은 단순히 주변의 액체와 상호 작용하여 전류를 생성 할 수있는 작은 탄소 입자를 사용하여 전기를 생성하는 새로운 방법을 발견했습니다.

연구원들은 유기 용매 인 액체가 입자에서 전자를 끌어내어 화학 반응을 유도하거나 마이크로 또는 나노 로봇에 전력을 공급하는 데 사용할 수있는 전류를 생성한다고 말합니다.

“이 메커니즘은 새롭고 전력을 생성하는이 방법은 완전히 새로운 것”이라고 MIT 화학 공학 교수 인 Michael Strano는 말합니다. “이 기술은 흥미 롭습니다. 왜냐하면 여러분이해야 할 일은 이러한 입자 층을 통해 용매를 흐르게하는 것입니다. 이것은 전선없이 전기 화학을 수행 할 수있게합니다.”

이 현상을 설명하는 새로운 연구에서 연구원들은이 전류를 사용하여 화학 산업에서 중요한 유기 화학 반응 인 알코올 산화로 알려진 반응을 촉발 할 수 있음을 보여줍니다.

Strano는 오늘 (2021 년 6 월 7 일)에 발표 된이 논문의 주 저자입니다. 자연 연결. 연구의 주 저자는 MIT 대학원생 인 Albert Tianxiang Liu와 전 MIT 연구원 Yuichiro Kunai입니다. 다른 저자로는 전 대학원생 Anton Cottrell, 포스트 닥스 Amir Kaplan과 Hyuna Kim, 대학원생 Ji Zhang, 최근 MIT 졸업생 인 Ravid Malla와 Yannick Etmon이 있습니다.

고유 한 속성

이 새로운 발견은 독특한 전기적 특성을 가진 탄소 원자 네트워크로 만들어진 중공 관인 탄소 나노 튜브에 대한 Strano의 연구에서 비롯되었습니다. 2010 년에 Strano는 처음으로 탄소 나노 튜브가 “열파”를 생성 할 수 있음을 보여주었습니다. 탄소 나노 튜브가 연료 층으로 코팅되면 열 펄스가 움직이거나 열파, 튜브를 따라 이동하여 전류를 생성합니다.

이 작업으로 Strano와 그의 학생들은 탄소 나노 튜브의 관련 특징을 밝혀 냈습니다. 그들은 나노 튜브의 일부가 테플론과 같은 폴리머로 코팅 될 때 전자가 코팅 된 부분에서 튜브의 코팅되지 않은 부분으로 흐르게하여 전류를 생성하는 비대칭을 생성한다는 것을 발견했습니다. 이러한 전자는 입자를 전자가 부족한 용매에 담그면 추출 할 수 있습니다.

이 특별한 능력을 활용하기 위해 연구원들은 탄소 나노 튜브를 종이와 같은 재료로 분쇄하고 성형하여 전기를 생성하는 분자를 만들었습니다. 각 종이의 한면을 테플론과 같은 폴리머로 코팅 한 다음 연구원들은 어떤 모양이나 크기의 작은 입자를 잘라 내었습니다. 이 연구에서 그들은 크기가 250 미크론 x 250 미크론 인 입자를 만들었습니다.

이러한 입자를 아세토 니트릴과 같은 유기 용매에 담그면 용매가 입자의 코팅되지 않은 표면에 달라 붙어 전자를 끌어 내기 시작합니다.

“용제는 전자를 끌어 내고 시스템은 전자를 이동시켜 균형을 잡으려고합니다.”라고 Strano는 말합니다. “내부에 정교한 화학 배터리가 없습니다. 입자 일 뿐이며 용매에 넣으면 전기장을 생성하기 시작합니다.”

“이 연구는 현장 전기 화학 합성을 위해 전자 재료에 저장된 유비쿼터스 (그리고 종종 눈에 띄지 않는) 전기 에너지를 추출하는 방법을 교묘하게 보여줍니다.”라고 Amherst에있는 University of Massachusetts의 전기 및 컴퓨터 공학 부교수 인 Jun Yao는 말합니다. 연구에 참여하지 않았습니다. “장점은 다른 모듈 시스템에서 다른 재료와 응용 프로그램을 사용하도록 쉽게 확장 할 수있는 일반적인 방법론을 나타냅니다.”

입자 강도

현재 버전의 입자는 입자 당 약 0.7 볼트의 전기를 생성 할 수 있습니다. 이 연구에서 연구원들은 또한 작은 시험관에 수백 개의 입자 배열을 형성 할 수 있음을 보여주었습니다. “포장 층”반응기는 알코올이 알데히드 또는 케톤으로 ​​변하는 알코올 산화라는 화학 반응을 실행하기에 충분한 에너지를 생성합니다. 일반적으로이 반응은 많은 외부 전류가 필요하기 때문에 전기 화학을 사용하여 수행되지 않습니다.

“충전 층 반응기는 콤팩트하기 때문에 대형 전기 화학 반응기보다 응용 분야에서 더 많은 유연성을 가지고 있습니다.”라고 Zhang은 말합니다. “입자는 매우 작을 수 있으며 전기 화학 반응을 유도하기 위해 외부 와이어가 필요하지 않습니다.”

향후 연구에서 Strano는 이러한 유형의 발전을 사용하여 이산화탄소만을 공급 원료로 사용하는 폴리머를 만들기를 희망합니다. 관련 프로젝트에서 그는 이미 태양열 발전 공정에서 이산화탄소를 건축 자재로 사용하여 자체 재생 될 수있는 폴리머를 만들었다. 이 작업은 식물이 태양 에너지를 사용하여 이산화탄소로부터 당을 생성하는 데 사용하는 일련의 화학 반응 인 탄소 고정에서 영감을 받았습니다.

장기적으로이 접근 방식은 마이크로 또는 나노 로봇에 전력을 공급하는 데 사용될 수도 있습니다. Strano의 실험실은 언젠가는 환경 또는 진단 센서로 사용될 수있는이 크기의 로봇을 만들기 시작했습니다. 그는 이러한 유형의 로봇에 전력을 공급하기 위해 환경에서 에너지를 추출 할 수 있다는 아이디어가 매력적이라고 ​​말합니다.

“이는 에너지 저장 장치를 기내에 배치 할 필요가 없음을 의미합니다.”라고 그는 말합니다. “이 메커니즘에 대해 우리가 좋아하는 것은 환경에서 적어도 부분적으로는 에너지를 얻을 수 있다는 것입니다.”

참조 : Albert Tianxiang Liu, Yuichiro Kunai, Anton L. Cottrell, Amir Kaplan, J. Chang, Hyuna Kim, Ravid S.의 “전기적 비대칭 Janus 탄소 입자에서의 용매 유도 전기 화학” Strano, 2021 년 6 월 7 일, 여기에서 사용 가능. 자연 연결.
DOI : 10.1038 / s41467-021-23038-7

이 연구는 미국 에너지 부가 자금을 지원했으며 MIT 에너지 이니셔티브의 초기 보조금을 받았습니다.