研究人员通过在极薄的金属层上流动的水来发电

Drops of water on a film.

美国西北大学(Northwestern University)和加州理工学院(Caltech)的科学家们通过简单地让水流过已经氧化的极薄的廉价金属层(包括铁)来发电。这些薄膜代表了一种全新的发电方式,可以用来开发新的可持续发电形式。

该薄膜具有导电金属纳米层(10至20纳米厚),并与氧化层(2纳米厚)绝缘。当雨水和海水的脉冲交替并穿过纳米层时,就会产生电流。盐度的差异使下面金属中的电子移动。

西北大学温伯格艺术与科学学院陶氏化学教授弗朗茨m盖格(Franz M. Geiger)说,“正是纳米金属表面的氧化层让这个装置运转起来。”“正确金属表面氧化物的存在不是腐蚀,而是导致了一种让电子穿梭的机制。”

薄膜是透明的,这一特性可以在太阳能电池中得到利用。研究人员打算用包括血液在内的其他离子液体来研究这种方法。这一领域的发展可能导致支架和其他可植入设备的应用。

盖格说:“将金属纳米层扩展到更大的区域和塑料涂层的便捷性使我们可以使用大量液体的三维结构。”“例如,适合装进背包的可折叠设计也是一种可能。考虑到这些薄膜的透明程度,将金属纳米薄膜与太阳能电池连接起来,或者在建筑窗户外面涂上金属纳米薄膜,以便在下雨时获得能源,这都是令人兴奋的想法。”

这项名为“金属纳米膜的能量转换”的研究发表在本周的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

盖格是这项研究的通讯作者;他的西北大学团队进行了实验。作者之一、加州理工学院(Caltech)化学教授托马斯•米勒(Thomas Miller)领导的团队进行了原子模拟,以研究该设备在原子水平上的行为。

这种新方法产生的电压和电流可与石墨烯基器件媲美,据报道其效率约为30%——与正在研究的其他方法(碳纳米管和石墨烯)类似,但使用地球上丰富的元素进行单步制造,而不是多步制造。这种简单性允许可伸缩性、快速实现和低成本。西北大学已经申请了一项临时专利。

在研究的金属中,研究人员发现铁、镍和钒的效果最好。他们测试了一个纯锈样品作为对照实验;它没有产生电流。

发电的机理很复杂,包括离子吸附和解吸,但本质上是这样的:雨水/盐水中的离子吸引氧化物层下面金属中的电子;当水流动时,这些离子也会流动,通过这个引力,它们将金属中的电子和它们一起拖拽,从而产生电流。

盖格说:“在各种能源和可持续性应用方面有着有趣的前景,但真正有价值的是氧-金属电子转移的新机制。”“潜在的机制似乎涉及各种氧化态。”

研究小组使用了一种称为物理气相沉积(PVD)的方法,将通常的固体材料转变为蒸汽,在理想的表面凝结。PVD允许它们沉积在只有10到20纳米厚的玻璃金属层上。氧化层在空气中自然形成。它生长到2纳米的厚度,然后停止生长。

盖格说:“较厚的金属薄膜不会成功——这是一种纳米约束效应。”“我们已经找到了最佳平衡点。”

当测试时,这些设备每平方厘米产生几十毫伏和几微安。

米勒说:“从长远来看,每个10平方米的电板每小时可以产生几千瓦的电,这对于一个标准的美国家庭来说已经足够了。”“当然,要求较低的应用,包括偏远地区的低功耗设备,在短期内更有前景。”

该研究的其他合著者包括西北大学的马维斯·博阿玛(Mavis D. Boamah)、艾米莉·h·洛泽(Emilie H. Lozier)、保罗·e·奥诺(Paul E. Ohno)和凯瑟琳·e·沃克(Catherine E. Walker)以及加州理工大学的金宗民(Jeongmin Kim)。

这项工作由美国国家科学基金会(奖励号为ch -1464916)、美国海军研究办公室(奖励号为N00014-10-1-0884)和美国国防部高级研究计划局(DARPA)通过美国陆军化学科学部(奖励号为W911NF1910361)资助。

主题:能源、技术、温伯格艺术与科学学院

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.northwestern.edu/stories/2019/07/researchers-produce-electricity-by-flowing-water-over-extremely-thin-layers-of-metal/