磚頭變「行動電源」?!3塊磚讓LED燈亮10分鐘,再也不怕停電了

磚頭變「行動電源」?!3塊磚讓LED燈亮10分鐘,再也不怕停電了

你沒看錯,這個磚頭可以讓LED燈亮起來。就是這種很不起眼的普通紅磚,不到一塊錢就能買到,未來或許可以變成一個「行動電源」?

 

近期,聖路易斯華盛頓大學D'Arcy實驗室發表了一項最新研究,發現磚塊這種最基本的建築材料竟然可以儲電。

改造後的紅磚能連接電源循環充電1萬次,而且單次充電後,三塊 4×3×1 cm 的磚塊可以為綠色LED燈供電約10分鐘。雖然現在看起來,磚塊儲存的電量微不足道,但在未來加入更多金屬氧化物後將大幅提高其儲電性能,或將為儲能建築材料的設計帶來啟示。

這項研究發表在了《自然通訊》雜誌上。

論文連結:Energy storing bricks for stationary PEDOT supercapacitors

鐵鏽也能用來儲能

聖路易斯華盛頓大學的化學助理教授、也是論文的通訊作者Julio D`arcy表示,「我們創造了一種可以搭建在你的房子裡的新型磚頭,具備儲電的功能。」他補充說:「我們認為,傳感應用在這些磚上也不難實現。」

多年來,D`arcy和他的同事們一直在用鐵鏽做實驗,鐵鏽是一種無處不在的紅色薄膜,主要由熔融顆粒的二氧化矽(SiO2),氧化鋁(Al2O3)和赤鐵礦(α-Fe2O3)2組成。它會在任何含有鐵的結構上形成。

鐵鏽通常被認為是一種有害的腐蝕性物質,但D`arcy的團隊已經證明生鏽的氧化鐵對材料科學有有用的特性。

D`arcy解釋說:「如果你用化學方法處理鐵鏽,它實際上會發生反應。」「所以,我們通常認為的廢料,其實是一種有用的化學物質,可以用來生產儲存能源的材料。」

而紅磚中的色素部分來源於鐵鏽,這促使研究人員進一步研究磚的結構特性,看看它們是否能轉化為一種叫做「超級電容器」的儲能設備。

磚內部複雜的多孔性是引入複雜聚合物塗層的理想空間,聚合物塗層與鐵鏽反應,增加了磚的表面積和電導率。

這些照片和顯微鏡圖像顯示了普通燒製紅磚在奈米纖維塗層沉積前後的結構,奈米纖維塗層增加了磚內的表面積。 

經過修改後,該團隊設計出了一種智慧磚的原型,它能儲存足夠的能量來為綠燈供電。該團隊目前正在利用這一發現製造使用各種金屬氧化物和聚合物塗層的特殊磚塊。

研究人員腦洞大開,希望用磚塊「淨水」

除了改進電導率和儲存能力,這一項目的研究人員還希望證明空氣感應器或水淨化系統可以整合到磚塊中。

也就是說,研究人員希望當水從屋頂流下並穿過磚塊時就可以得到淨化,然後將其收集起來。D`arcy猜想道,「我們總是考慮用過濾器淨化水。但如果房子是一個過濾器呢?」

這都還是一種暢想,距離實現還很遠。不過,近期D`arcy和他的同事們正專注於提高這些磚的發電效率,這樣它們就可以作為普通家庭的備用電源,比如應急照明系統。

D`arcy說:「如果我們能增加一塊磚所能儲存的能量,我們就能擴大規模,並使用更少的磚。」

如何在普通磚的表面儲存能量

那麼,在普通磚的表面儲存能量,是怎麼實現的呢?

燒製磚的開放微觀結構、機械堅固性和~8wt%的α-Fe2O3含量為開發電化學PEDOT電極和可隨時堆疊成模組的固定超級電容器提供了理想的基底。研究人員利用紅磚的多孔結構,使用酸蒸汽溶解紅磚內部的鐵氧化物,為整塊磚添加了一層由PEDOT(一種導電聚合物)組成的纖維網。

用環氧樹脂作為防水外殼,使超級電容器在水下運行,凝膠電解質可將循環穩定性提高到10,000次循環,電容保留率高達90%。

在磚上沉積奈米纖維PEDOT塗層。

這項工作的靈感來自該團隊近期發表的鏽助氣相聚合。赤鐵礦所產生的化學反應為在燒結磚上開發尖端功能提供了機會,在燒結磚上,8wt%的α-Fe2O3含量和3D多孔微觀結構為機械上堅固的電極設計提供了理想的基底。

在這裡,團隊開發了一種超級電容器,使用磚的赤鐵礦微結構作為反應物,蒸汽沉積導電聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)奈米纖維塗層(PEDOT)。氣相合成使PEDOT塗料具有高電導率和容易的電荷轉移,使其成為生產電極的理想途徑。該合成利用磚的開放微觀結構和熱穩定性,使酸和單體蒸汽在160℃下通過其孔隙,以控制反相氧化自由基聚合導致的α-Fe2O3溶解和Fe3+水解。

奈米纖維PEDOT塗層磚的三電極表徵。以上示範了如何在普通磚的表面儲存能量,使用α-Fe2O3作為氧化劑前驅體來控制氧化自由基聚合,並從氣相共形沉積電容性奈米纖維PEDOT塗層。磚的結構穩定性和開放的微觀結構使得磚電極具有堅固的機械性能,當連接在一起並塗上環氧樹脂時,可以產生穩定的固定式防水超級電容器模組。

這項超級電容器技術可以為這種「十分便宜」的建築材料增加價值,並展示了一種可擴展的過程,為建築應用中使用燒磚的嵌入式微設備提供能源儲存。

研究團隊Julio D'Arcy實驗室

Julio D'Arcy是聖路易斯華盛頓大學的化學助理教授,他在加州大學洛杉磯分校獲得化學博士學位,他的專長領域是共軛聚合物,電化學和薄膜復合設備,對能源應用特別感興趣。

Julio D'Arcy實驗室的目標是發現和應用新型功能性奈米有機和無機材料,利用通用的合成化學協議來控制化學結構、奈米級形態和固有性質

 

D'Arcy研究小組致力於發展電化學能源儲存技術,使智能電網成為可能,並為交通工具和電子設備提供強大的動力。設備測試使用電化學技術,如循環伏安法,恆電流充電/放電曲線,和電化學阻抗譜。

想像一下,一旦用「磚」儲電的設想實現,未來所有的房屋建築都能自帶磚頭「儲電機」,也會是一項改變未來城市的重要研究。

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