26歲科學家發明「儲能磚」：板磚嵌入導電聚合物，牆壁變電池為建築供電

2020-08-20 科技導報

紅磚，俗稱 「板兒磚」 「磚頭」，是一種燒結型建築磚塊。紅磚既有一定的強度和耐久性，也因多孔而具有一定的保溫絕熱、隔音等特點，配上鋼筋、混凝土，非常適合做建築牆體材料。

不過，在26 歲的博四學生王泓民看來，紅磚還有另外一個用途——儲能，他將其稱為 「儲能磚」。王泓民表示，相比於傳統的儲電裝置，儲能磚最大的優勢是可規模化，當用電需求較小時就堆一面小牆用於儲能，需求大時也可以將整棟建築都用來儲能，而傳統的儲電裝置很難做到這一點。且作為一種建築材料，紅磚本身也不會佔用其他多餘的空間。

事實上，一塊紅磚 「配」 上導電聚合物，可儲存的電量確實可以讓一個發光二極體 （LED）亮起來，且可充放電次數高達 10,000 次。此外，在 -20 °C 至 60 °C 的環境下還可以防水。


圖｜經特殊處理的紅磚為發光二極體供電（來源：Nature Communications）


這一最新研究成果以論文的形式發表在科學期刊《自然-通訊》（Nature Communications）上，王泓民為第一作者，他的導師、美國聖路易斯華盛頓大學助理教授胡裡奧·達西（Julio D』Arcy）為通訊作者。「這個團隊裡，除了 D『Arcy 教授和我帶的本科生，其他都是中國留學生。」 王泓民說。

（來源：Nature Communications）


根據論文的描述，研究人員利用磚的多孔結構，通過使用氣相沉積技術為紅磚添加一層名為 PEDOT 的導電聚合物，從而把紅磚變成一個儲能電極。充電後的儲能磚可以作為超級電容器像傳統電池一樣儲存電能，並隨時為其他裝置供電，由儲能磚砌成的牆可以儲存大量電能。

研究人員表示，這項工作或許可以為具有儲電功能的多用途增值建築材料的開發帶來啟示。


靈感來自紅磚房


「那一天，當我看到一棟漂亮的紅磚房時，我的腦子裡立刻閃過了這樣一個想法：既然房子是由這麼多堆疊的紅磚砌成的，就像堆疊的電極一樣，它們可不可以用來儲存電能呢？」

正是源於這樣一個想法，王泓民在博士期間開始了儲能磚的研究。

一般來說，紅磚是不可能儲存電能的，因為它是絕緣的，而且在電化學上也是惰性的。但是，王泓民及其團隊發現了一種在紅磚上誘導生長導電聚合物納米纖維的化學合成方法，從而使得儲能磚的想法成為可能。

在這一過程中，紅磚內的鐵鏽對於誘發聚合反應十分關鍵，而鐵鏽在自然界中十分常見，在腐蝕的金屬器具、紅色的土壤、紅色染料、微生物和紅磚中都有分布，任何含有氧化鐵的物質原理上都可以被轉化並用來儲能。

「除了紅磚，我們還嘗試了混凝土，只要在混凝土表面摻入薄薄一層常見的紅色顏料（主要成分為氧化鐵），混凝土也可以被反應並創造出儲能混凝土。」 王泓民說。

為了讓紅磚 「變身」 儲能磚，他們將紅磚放在了化學反應物蒸汽中，並將其表面的氧化鐵轉化為了一種藍色的可以導電的塑料（一種導電高分子，具有電化學活性，可用於儲能）。當兩塊紅磚中間夾一層電解質時，這個 「三明治」 結構便可以儲存電荷，兩塊磚頭分別為這個裝置的正極和負極；當多塊磚頭堆疊在一起的時候，根據電路的不同，可以串聯或並聯，從而為電器供電。

圖｜將紅磚表面的氧化鐵轉化為一種藍色可導電塑料（來源：Nature Communications）


王泓民表示，這一研究的初衷是希望提供一個大規模儲能的可能性，最終目標是將儲能磚融入到建築當中，用於儲存就地收集的電能（比如，風能和太陽能），並為建築本身供電，從而提高能源使用效率。

如果儲能磚被融合進建築物中，可與屋頂的太陽能或風能採集裝置耦合，用於儲存這些裝置產生的能量，從而讓整棟樓在陰天或者無風的天氣也能用上可再生能源。

更大膽的暢想是，既然這一技術有潛力將一整棟建築物變為一個儲能元件，那麼如果更多功能化的建築材料受這一研究的啟發而被開發出來，這將賦予建築物更多電子元件的功能。屆時，一整座城市便可像一個巨大的電腦主板，每一棟建築物都是一個獨立的電子元件，相互連接，而又各司其職。

儘管十分看好儲能磚技術的商業化前景，但王泓民也表示，目前這一工作還只是處於概念證明的研究階段，單塊儲能磚可以儲存的能量有限，目前使用的導電聚合物也比較貴，他們也並不是十分清楚潛在的市場規模有多大。不過，他們正在嘗試通過使用其他材料為紅磚提供更大的能量密度。

「一旦儲能密度提升一個數量級，這項技術就可以被商業化。」 王泓民說。


在科研中 「放飛自我」


王泓民出身於南京，目前就讀於美國聖路易斯華盛頓大學，「我目前是博四，還有一年就畢業了，正在國內外尋找攻讀博士後的機會。」

從高中開始，他就對化學產生了濃厚的興趣，尤其是在創造新物質、新材料方面。在高二時，他就自學了大學的化學課程，並獲得了全國高中生化學競賽江蘇賽區二等獎。高中時期儲備的大學知識，讓王泓民在進入武漢大學化學與分子科學學院後可以輕鬆處理本科學業，並且騰出大量的課餘時間和精力用於業餘科研。整個大學期間，他的平均學分績點（GPA）高達 3.8/4.0。

大學畢業時，他以第一作者身份發表了兩篇綜述，並且以第二作者身份發表了一篇科研論文，這些成果幫助他申請到了美國聖路易斯華盛頓大學的全獎博士。

「但博士期間的科研並非一帆風順，好在我的導師 D『Arcy 為實驗室創造了十分寬鬆的研究氛圍，甚至沒有要求在特定的時間去實驗室。」王泓民說。

沒有了時間上的限制，王泓民在科研上便開始 「放飛自我」。他經常在凌晨三四點時還在做電鏡實驗，然後回家睡到第二天中午再來實驗室，「因為晚上七點之後電鏡上機費用有折扣」；周末有了靈感便整日泡在實驗室，而如果工作日 「思維枯竭」、需要換換腦子時，就不去實驗室。

圖｜王泓民的實驗室（來源：王泓民）


「放養式的實驗室環境，使我的思維得以解放，並在讀博期間大膽嘗試了自己提出的四五十個想法，雖然大部分想法都失敗了，最終產出的成果也只有四五篇論文，但每篇論文都以非常高的創新性被選為當期雜誌的封面論文。」 王泓民說。

採訪的最後，王泓民表示，他們的這項研究結合了建築學和化學這兩個看似毫不相關的領域，除了科學上的意義，他也堅信這項研究能激發公眾對科學的興趣，及對身邊看似普通的物件和材料的創造性思維。


參考：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17708-1

文章來源：DeepTech深科技 作者：寇建超

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