Ученые из Массачусетского технологического института разработали инновационный метод получения электроэнергии. Данная технология основана на простом использовании тепла, выделяемого при сгорании специального топлива, которое нанесено на углеродные нанотрубки. Метод не требует применения металлов и токсичных веществ и базируется на открытии, сделанном в 2010 году под руководством профессора Майкла Страно. Тогда была создана проводящая структура из углеродных нанотрубок, преобразующаяся в генератор электрического тока при локальном нагреве определенного участка нанотрубки с последующим перемещением этого участка вдоль ее длины. Для создания автономного источника энергии, ученые покрыли внешнюю поверхность нанотрубки горючим материалом, который воспламеняется импульсом электрического тока возле одного из концов нанотрубки.

Первоначально полученный объем энергии был незначительным. Однако, благодаря дальнейшим исследованиям группы профессора Страно и других ученых, эффективность метода была повышена более чем в тысячу раз. В настоящее время, элементы с покрытыми топливом углеродными нанотрубками способны генерировать энергию, сопоставимую с энергией, вырабатываемой химическими батареями аналогичных размеров.

К сожалению, пока еще рано говорить о появлении “нанотрубочных батареек” на коммерческом рынке. До этого ученым предстоит решить ряд проблем, главной из которых является нестабильная работа нанотрубок в качестве генераторов энергии. Ученые заметили, но пока еще не понимают причин, из-за которых однократный сильный нагрев нанотрубки иногда может произвести один сильный импульс электрического тока, а в других случаях – два импульса меньшей мощности и разного уровня напряжения.

Уровень эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую составляет у нанотрубочного устройства всего 1 процент. С первого взгляда, это ничтожно мало даже по отношению к не блещущим эффективностью солнечным батареям и термоэлектрическим генераторам, тем не менее, это в тысячу раз больше, чем достигнутый прежде показатель эффективности.

В настоящее время топливом, которым покрывают поверхность углеродных нанотрубок, является сахароза, но ученые считают, что использование других горючих веществ поможет поднять общую эффективность преобразования до приемлемого уровня. А размеры такого нанотрубочного источника энергии легко могут быть уменьшены до такого уровня, что его можно будет использовать в качестве источника питания портативной электроники и даже наноразмерных электронных устройств.

Гидроэлектрогенератор для микроканалов

Принцип работы предложенного гидроэлектрогенератора на основе углеродных нанотрубок для микроканалов. Y. Xu et al./ Angewandte Chemie

Используя упорядоченный массив из углеродных нанотрубок, китайские химики создали микрофлюидный гидроэлектрогенератор. Ученые утверждают, что такое устройство сможет использоваться в качестве источников электроэнергии, например, в кровеносных сосудах. Работа опубликована в Angewandte Chemie.

Использование электрокинетических явлений — один из наиболее популярных способов управлять течением жидкости и движением частиц в микро- и наноканалах. Из-за разной адсорбции ионов разных знаков, на практически любой поверхности, находящейся внутри раствора электролита, образуется двойной электрический слой. Взаимодействие между подвижной частью этого слоя и жидкостью может приводить к разнообразным кинетическим явлениям, например, электроосмосу (при котором внешнее электрическое поле возбуждает течение жидкости) или электрофорезу (при котором внешнее поле возбуждает движение частиц).

В своей новой работе китайские химики для создания гидроэлектрогенератора внутри микроканала предложили использовать еще одно электрокинетическое явление — возникновение потенциала течения. Это явление обратно  электроосмосу: текущая вдоль неподвижной заряженной стенки вязкая жидкость увлекает с собой ионы электролита, находящиеся в диффузном слое. В результате они накапливаются в одной части канала, что приводит к появлению разницы потенциалов.

В качестве материала поверхности электрогенератора ученые использовали волокно из углеродных нанотрубок. Такой выбор был сделан из-за того, что, помимо необходимых электрических свойств, они обладают низкой плотностью и высокой механической устойчивостью. Для создания устройства ученые нанесли на полимерное ядро цилиндрической формы несколько упорядоченных слоев нанотрубок 18 нанометров каждый, так что суммарная толщина составила 260 нанометров. Всю эту систему поместили в середину цилиндрического канала диаметром 800 микрон.

Общий вид волокна из углеродных нанотрубок (a,b), которое использовалось для создания электрогенератора, поверхности созданного устройства (с) и схема принципа его работы (d). Y. Xu et al./ Angewandte Chemie

Кроме этого, для увеличения эффективности между слоями из нанотрубок химики дополнительно поместили частицы мезопористого углерода с порами размера 3-5 нм. Благодаря этому удалось увеличить эффективную площадь поверхности, и, соответственно, суммарный адсорбированный заряд.

В результате ученым удалось добиться напряжения в 341 милливольт для двадцатисантиметрового генератора. При этом напряжение линейно возрастает с увеличением длины устройства или концентрации электролита. Также было показано, что при необходимости такие генераторы можно составлять в цепи, соединяя их последовательно или параллельно. По утверждению ученых, эффективность конверсии энергии в разработанном ими генераторе достигает более 23 процентов, что значительно превосходит данные для других волоконных электрогенераторов, в частности, на основе солнечных элементов. При этом эффективность устройства не падает даже за 1 миллион циклов.

Максимальное напряжение, которое удалось получить с помощью предложенного электрогенератора, в зависимости от цикла работы. Y. Xu et al./ Angewandte Chemie

Ученые утверждают, что разработанное ими устройство может использоваться и, например, в кровеносных сосудах. Таким образом, прокачивая кровь, сердце сможет самостоятельно поддерживать работу вводимых в кровь электроустройств.

Недавно мы писали и про другие примеры использования электрокинетических явлений в микрофлюидике. С помощью элетрофореза в нанопорах, например, можно не только делить единичные молекулы биополимеров, но и определять их форму и пространственную ориентацию. А благодаря электроосмосу можно разделять по размерам биологические клетки и другие частицы с нейтральной плавучестью.

Отечественные исследования

Исследователи из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разрабатывает новое поколение термоэлектрических генераторов, которые в десять раз эффективнее своих аналогов на рынке. Окончательный продукт будет запущен в производство уже к концу 2021 года!

Мы изучаем различные модификации углеродных нанотрубок уже довольно давно, более 15 лет. Не только для термоэлектрических генераторов, но и, например, для эффективных электронных автоизлучателей и различных типов датчиков — светочувствительных датчиков и т.д.

Модель взаимодействия теплового потока и электронных подсистем в нашей углеродной наноструктуре является основой для создания конкретного устройства — термоэлектрического генератора», — пояснила руководитель группы развития Ольга Квашенкене, Директор НТЦ «Нейронное прогнозирование материалов и технологий для электронной промышленности» (НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии»).

Термоэлектрический генератор представляет собой малогабаритное устройство (размеры корпуса 5 мм) × (размером 2 мм), который преобразует тепловую энергию в электрическую. Устройство содержит сложную углеродную наноструктуру.

На фото ниже вы можете видеть новый термоэлектрический генератор.

www.cell.com

При нагревании в структуре происходят квантовые электродинамические процессы, приводящие к термоэлектрической генерации. В нагретых структурах со сложной стехиометрией возбуждаются взаимодействия электронной и структурной подсистем (решетки). Это квантово-физическое взаимодействие приводит к генерации электрического тока за счет теплового эффекта.

«Термоэлектрические генераторы основаны на углеродных нанотрубках, которые могут быть модифицированы различными способами, — Ольга Квашенкина объясняет. — Хорошо известно, что углерод может быть в форме алмазов и является почти идеальным диэлектриком — Материал, не проводящий электричество и имеющий форму графита — очень хороший проводник электрического тока.

Именно на основе этих двух анизотропных углеродных композитов основаны наши генераторы. Мы получаем этот композит по совершенно уникальной технологии, позволяющей воспроизвести свойства термоэлектрического генератора, что очень хорошо для промышленных проектов”».

Принцип работы связан со структурой нанокомпозитного углеродного волокна, используемого в генераторе, в его различных состояниях.

Чередование проводящего и непроводящего состояний одного и того же материала позволяет использовать свойства взаимодействия между теплом и потоком электронов. Расчет этого взаимодействия и его физической природы, наблюдаемой в термоэлектрических генераторах, применим к единичным квантам теплового излучения и единичным электронам, что позволяет утверждать, что квантовые электродинамические процессы.

Источники: https://nplus1.ru/, https://www.dailytechinfo.org/, https://dzen.ru/