麻省理工学院的工程师发现了一种利用微小碳颗粒发电的方法。
它们只需与漂浮其中的有机溶剂相互作用，就能产生电流。
这些颗粒由粉碎的碳纳米管制成，表面包覆一层类特氟龙聚合物。
麻省理工学院的工程师发现了一种利用微小碳颗粒发电的新方法，这些颗粒只需与周围的液体相互作用就能产生电流。
研究人员表示，这种有机溶剂能够将电子从颗粒中抽离，产生的电流可用于驱动化学反应，或为微米级或纳米级机器人供电。
“这一机制是全新的，这种发电方式也完全是全新的，”麻省理工学院化学工程系卡本·P·达布斯教授迈克尔·斯特拉诺（Michael Strano）说。“这项技术之所以引人关注，是因为你只需让溶剂流过一层这些颗粒，就能进行电化学反应，而且无需任何导线。”
在一项描述这一现象的新研究中，研究人员证明，他们可以利用这股电流驱动一种被称为醇氧化的反应——这是一种在化学工业中具有重要意义的有机化学反应。
斯特拉诺是该论文的资深作者，该论文今日发表于 《自然·通讯》（Nature Communications）。该研究的主要作者是麻省理工学院研究生刘天翔（Albert Tianxiang Liu）和前麻省理工学院研究员国井雄一郎（Yuichiro Kunai）。其他作者包括前研究生安东·科特里尔（Anton Cottrill）、博士后研究员阿米尔·卡普兰（Amir Kaplan）和金贤娥（Hyunah Kim）、研究生张格（Ge Zhang），以及近期毕业于麻省理工学院的拉菲德·莫拉（Rafid Mollah）和扬尼克·伊顿（Yannick Eatmon）。
独特的性质
这一新发现源于斯特拉诺对碳纳米管的研究。碳纳米管是由碳原子晶格构成的中空管状结构，具有独特的电学性质。2010年，斯特拉诺首次证明，碳纳米管能够产生“热功率波”。当碳纳米管表面覆盖一层燃料时，移动的热脉冲，或热功率波，会沿管体传播，从而产生电流。
这项工作促使斯特拉诺及其学生发现了碳纳米管的另一项相关特性。他们发现，当纳米管的一部分覆盖有类特氟龙聚合物时，会形成一种不对称结构，使电子能够从包覆部分流向未包覆部分，从而产生电流。将颗粒浸入一种对电子具有强烈亲和力的溶剂中，即可将这些电子引出。
为利用这一特殊性能，研究人员将碳纳米管研磨后，制成一层类纸材料，从而制备出能够发电的颗粒。每张薄片的一面覆盖有类特氟龙聚合物，随后研究人员将其切割成小颗粒，颗粒的形状和尺寸可以任意设定。本研究中，他们制备的颗粒尺寸为250微米×250微米。
当这些颗粒浸没在乙腈等有机溶剂中时，溶剂会附着在颗粒未包覆的表面，并开始将电子从颗粒中抽离。
“溶剂会带走电子，而系统会通过电子的移动试图恢复平衡，”斯特拉诺说，“内部并不存在复杂的电池化学过程。它只是一个颗粒，你把它放入溶剂中，它就开始产生电场。”
“这项研究巧妙地展示了如何提取电子材料中普遍存在（且常被忽视）的电能，用于现场电化学合成，”马萨诸塞大学阿默斯特分校电气与计算机工程助理教授姚俊（Jun Yao）说，他并未参与该研究。“其精妙之处在于，它提出了一种通用方法，可以很容易地推广到不同材料，以及不同合成体系中的各类应用。”
颗粒的电力
当前版本的颗粒每个可产生约0.7伏特的电力。在本研究中，研究人员还证明，他们可以在一支小型试管中排列数百个颗粒。这种“填充床”反应器所产生的能量，足以驱动一种称为醇氧化的化学反应，在该反应中，醇被转化为醛或酮。通常情况下，这一反应不采用电化学方法进行，因为那需要过大的外部电流。
张格说：“由于填充床反应器结构紧凑，其在应用方面比大型电化学反应器更具灵活性。颗粒可以做得非常小，而且无需任何外部导线即可驱动电化学反应。”
在未来的工作中，斯特拉诺希望利用这种发电方式，仅以二氧化碳为起始原料来合成聚合物。在一个相关项目中，他已经制备出聚合物，这些聚合物能够以二氧化碳为构建材料，在太阳能驱动的过程中实现自我再生。这项工作受到碳固定的启发，碳固定是植物利用太阳能、以二氧化碳合成糖类的一系列化学反应。
从长远来看，这种方法也可用于为微米级或纳米级机器人供电。斯特拉诺的实验室已经开始在该尺度上构建机器人，这些机器人有朝一日可用作诊断或环境传感器。他表示，能够从环境中收集能量来为这类机器人供电，这一想法很有吸引力。
“这意味着你无需在机器上配备储能装置，”他说，“我们喜欢这一机制的地方在于，你至少可以部分地从环境中获取能量。”
该研究由美国能源部和麻省理工学院能源倡议的一笔种子基金资助。
