把磚頭變成電池，科學家改造廢棄磚塊，可變6v的儲電器

2020-08-19 學術頭條

我們或許低估了小小一塊磚頭的價值。現在，閉上眼睛，想像一下把電源插頭直接插入你的磚房牆壁的場景。


根據華盛頓大學聖路易斯分校的研究人員本周在《自然-通訊》發表的一篇論文 Energy storing bricks for stationary PEDOT supercapacitors，世界上最便宜、最常見、也是最不起眼的建築材料，傳統燒結磚也能成為儲能單元，這些「智能磚」充電後能像電池一樣儲存電能，隨時準備為其他裝置供電。



從古代層層壘砌的磚房算起，紅磚作為傳統古老的建築材料，已經有了數千年的歷史。雖然資歷老，但是紅磚卻並沒有在歷史的長河中開發出其他的新技能。用磚砌成的牆和樓房已經佔據了大量空間，如果能一磚兩用，或許能增加其利用價值。


根據美國聖路易斯華盛頓大學的 Julio D』Arcy 和同事的介紹，他們已經開發出一種讓這種紅磚變身為一種名為超級電容器的儲能裝置。利用磚的多孔結構，研究人員使用氣相沉積技術為整塊磚添加了一層名為 PEDOT 的導電聚合物，讓磚變成一個儲能電極。


磚本身的紅色色素——氧化鐵（鐵鏽），對於誘發聚合反應來說十分關鍵。這種「智能磚」可以儲存能量，電能可以持續儲存，一直到需要為設備供電的時候。


研究人員還用一個概念驗證裝置證明可以用一塊磚直接給一個發光二極體（LED）充電。


把磚頭變成電池


紅磚之所以總是呈現紅色，主要是因為它主要的組成物質是紅色的——通常情況下，紅磚由熔融顆粒的二氧化矽(SiO2)，氧化鋁(Al2O3)和赤鐵礦(ar -Fe2O3)2組成。而磚的紅色來源於赤鐵礦，這種色素在 73000 年前就被人類首次使用，現在是一種低成本、天然豐富的無機前體，用於催化物、磁體和合金。


不要小看了平平無奇的赤鐵礦—— 當下，最強大的儲能物質也來自赤鐵礦。例如，FeNx、FeP 和 Li5FeO4 通過陰離子或陽離子交換合成鉀離子電池、鋅空氣電池、假電容器和鋰離子電池; 同時，利用赤鐵礦的電化學性質的轉變也可以用來製造 FeOOH 超級電容器陽極。


研究人員的靈感來自他們最近的研究主題—— 鏽助氣相聚合。在燒制紅磚的過程中，赤鐵礦會發生複雜的化學反應，這也為研究人員探索開發它的潛在效用提供了新的機會。在燒結磚上，8 wt% 的氧化鋯-Fe2O3 含量和 3D 多孔微觀結構為理想的堅固的電極設計提供了堅實的基底。


在磚上沉積納米纖維PEDOT塗層


在此基礎上，研究人員開發了一個超級電容器。他們使用磚赤鐵礦微結構作為反應物蒸汽沉積納米纖維塗層的導電聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩，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材料。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 攝氏度下通過其孔隙，以控制氧化自由基聚合導致的氧化-Fe2O3 溶解和 Fe3+ 水解。


為了模擬磚-砂漿-磚結構，超級電容器改性使用的準固態電解質(聚乙烯醇/1 M H2SO4)，也發揮粘合劑和分離器的作用。研究人員表示，這種設備是防水的，因為它們塗有環氧封裝層，保護它們能夠在溫度在 20 到 60 攝氏度之間存儲電荷。一個超級電容器在環境條件下是穩定的，經歷 10,000 次充放電循環，庫倫效率~100%，電容保持率~90%。另外，通過三臺設備串聯，製作出達到 3.6 V 電壓窗的超級電容器磚模塊。


應用潛力廣泛


研究人員表示，這一概念驗證工作演示了如何在普通磚的表面存儲能量，超級電容器技術也為這種極便宜的建築材料增加了價值，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存儲。


化學助理教授胡裡奧·達西(Julio D』arcy)說:「我們開發出的這個方法可以應用在普通磚或回收磚的改造上，當然，我們也可以自己製造磚。事實上，我們發表的研究成果源於我們在密蘇裡州布倫特伍德(Brentwood)家得寶(Home Depot)購買的磚塊——每塊磚 65 美分。」


我們都知道，由磚建造的建築佔據了大量的空間，如果它們有一個額外的存儲電能的用途，將擁有更大的價值可以利用。雖然一些建築師和設計師已經認識到這種不起眼的磚具有吸收和存儲太陽熱量的能力，但這是第一次有人嘗試將磚不僅僅用作取暖和製冷的熱質。



「在這項工作中，我們開發了一種導電聚合物 PEDOT 的塗層，它由納米纖維組成，可以穿透磚塊內部的多孔網絡；聚合物塗層被困在磚塊中，作為離子海綿儲存和導電。」達西說。


磚中的紅色顏料——氧化鐵（鐵鏽）——是引發聚合反應的必要條件。研究人員的計算表明，用這些儲能磚砌成的牆可以儲存大量的能量。


「這些智能磚是為應急照明提供電力的理想建築材料，」達西說，「我們設想，當你把磚和太陽能電池連接起來時，這可能成為現實——這可能需要 50 塊磚，而這 50 塊磚可以為應急照明提供 5 小時的電力。」


「更值得一提的是，作為超級電容器的磚牆可以充電數十萬次。如果你把幾塊磚連接起來，微電子傳感器就可以很容易地獲得電力。」


排版：趙辰霞
編審：王新凱


參考資料：
Wang, H., Diao, Y., Lu, Y., Yang, H., Zhou, Q., Chrulski, K., & D』Arcy, J. M. (2020). Energy storing bricks for stationary PEDOT supercapacitors. Nature Communications, 11(1), 3882. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17708-1
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-08/wuis-sei080620.php

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