Огонь, вода и углеродные нанотрубки: все о новом способе производства электричества

7 июня в журнале Nature Communications вышла статья группы исследователей из Массачусетского технологического института (MIT). Они описывают новый способ производства электричества с использованием частиц углерода, которые генерируют ток, взаимодействуя с органическим растворителем. Звучит запутанно? Давайте разбираться.

Батарейка наизнанку

Еще в 2010 году исследователь из департамента химической инженерии MIT Майкл Страно показал, что углеродные нанотрубки могут генерировать так называемые волны термоЭДС (thermopower waves) — ​самораспространяющиеся реакции, преобразующие химическую энергию в электрическую. Дело в том, что углерод — ​отличный проводник тепла. Например, в графите тепло распространяется в 20 раз быстрее, чем в одном из самых теплопроводных металлов — ​золоте, в графене — ​в 50 раз быстрее, а если свернуть графен в нанотрубку, то тепло побежит в ней в 100 раз быстрее, чем в золоте.

Электричество эти структуры тоже проводят. Исследователи покрыли нанотрубку слоем топлива и немного нагрели. При повышении температуры в топливе начинают происходить химические реакции, выделяется тепло и образуются те самые волны, которые разносятся по трубке. Волны выталкивают электроны из нанотрубки, генерируя электрический ток. По сути, это способ преобразования химической энергии в электрическую очень высокой плотности — ​в 14 раз выше, чем у литий-ионной батареи. На основе технологии думают даже разработать топливный элемент нового типа.

В своем новом исследовании Страно и его коллеги предположили, что если один конец нанотрубки изолировать, например полимером, а второй оставить открытым и поместить трубку в электролит, то электроны начнут утекать в электролит со свободного конца. Чтобы восстановить баланс, трубка будет подтягивать электроны с другого конца, образуется электрический ток, и получится подобие батарейки, но наизнанку, с электролитом снаружи.

Чтобы проверить теорию, ученые измельчили нанотрубки и сделали из них пластины, похожие на лист бумаги. Одну сторону покрыли тефлоноподобным полимером, а затем нарезали на квадраты размером 250×250 мк и поместили в органический растворитель ацетонитрил. Растворитель прилип к не покрытой полимером поверхности и начал вытягивать оттуда электроны. Таким образом удалось выработать 0,7 В с одного квадратика.

Оказалось, что можно создавать массивы из сотен частиц в одной пробирке. Получается своеобразный реактор, который можно использовать в некоторых химических реакциях, например электролитического окисления спиртов в альдегиды или кетоны. Обычно к методам электрохимии для этого не прибегают — ​нужно слишком много внешней энергии.

В перспективе авторы исследования предлагают от своего реактора питать микрои нанороботов, армия которых могла бы измерять разнообразные показатели — ​состояния человека, трубопроводов, окружающей среды. В лаборатории Страно над этим уже работают.

Реактор в рубашке

К извлечению энергии углерод припрягли давно — ​не только сжигая уголь, но и создавая генераторы энергии из графена, а также используя углеродные нанотрубки в солнечных батареях. А некоторые ученые даже хотят использовать алмазы для запуска термоядерной реакции — ​обстреливать крошечными алмазами мишень из замороженного дейтерий-тритиевого кристаллического метана.

В 2017 году коллектив из США и Южной Кореи показал, что с нанотрубками можно преобразовывать механическую энергию растяжения или кручения в электрическую. Ученые сделали нить из многостенных углеродных нанотрубок: лист из нанотрубок скрутили в трубку, эту трубку — ​в нить. Помещенная в электролиты нить становится конденсатором — ​при растяжении ее объем в поперечном сечении уменьшается, заряды сближаются. Если присоединить к нити электроды, в цепи возникает электрический ток. Авторы протестировали прототип в соленой воде в лаборатории, а затем в Тихом океане у берегов Южной Кореи. За счет воздействия волн происходило сжатие и растяжение нити. Устройство на основе этого метода может генерировать 250 Вт на килограмм нитей.

Поэкспериментировали и с одеждой — ​вплели в рубашку одного участника исследования такие нити, подсоединили электродами к осциллографу и выяснили, что электрический ток вырабатывается не только при физической активности, но даже от дыхания, реагируя на движения грудной клетки. По мнению авторов, такие нити можно использовать для создания одежды, которая будет питать электронику: медицинские датчики или смартфоны. Кроме того, ткани с вплетением — ​термостойкие и прочные. Из углеродной ткани даже делают бронированные костюмы, которые защищают от ножевых ранений и останавливают пулю до 45‑го калибра.