100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Открыт новый способ производства электричества с помощью углерода

Открыт новый способ производства электричества с помощью углерода

7 июня в журнале Nature Communications вышла статья группы исследователей из Массачусетского технологического института (MIT). Они описывают новый способ производства электричества с использованием частиц углерода, которые генерируют ток, взаимодействуя с органическим растворителем. Звучит запутанно? Давайте разбираться.

Батарейка наизнанку

Еще в 2010 году исследователь из департамента химической инженерии MIT Майкл Страно показал, что углеродные нанотрубки могут генерировать так называемые волны термоЭДС (thermopower waves) — ​самораспространяющиеся реакции, преобразующие химическую энергию в электрическую. Дело в том, что углерод — ​отличный проводник тепла. Например, в графите тепло распространяется в 20 раз быстрее, чем в одном из самых теплопроводных металлов — ​золоте, в графене — ​в 50 раз быстрее, а если свернуть графен в нанотрубку, то тепло побежит в ней в 100 раз быстрее, чем в золоте.

Электричество эти структуры тоже проводят. Исследователи покрыли нанотрубку слоем топлива и немного нагрели. При повышении температуры в топливе начинают происходить химические реакции, выделяется тепло и образуются те самые волны, которые разносятся по трубке. Волны выталкивают электроны из нанотрубки, генерируя электрический ток. По сути, это способ преобразования химической энергии в электрическую очень высокой плотности — ​в 14 раз выше, чем у литий-ионной батареи. На основе технологии думают даже разработать топливный элемент нового типа.

В своем новом исследовании Страно и его коллеги предположили, что если один конец нанотрубки изолировать, например полимером, а второй оставить открытым и поместить трубку в электролит, то электроны начнут утекать в электролит со свободного конца. Чтобы восстановить баланс, трубка будет подтягивать электроны с другого конца, образуется электрический ток, и получится подобие батарейки, но наизнанку, с электролитом снаружи.

Чтобы проверить теорию, ученые измельчили нанотрубки и сделали из них пластины, похожие на лист бумаги. Одну сторону покрыли тефлоноподобным полимером, а затем нарезали на квадраты размером 250×250 мк и поместили в органический растворитель ацетонитрил. Растворитель прилип к не покрытой полимером поверхности и начал вытягивать оттуда электроны. Таким образом удалось выработать 0,7 В с одного квадратика.

Читайте так же:
Как делают лучшие рояли в мире Steinway & Sons (фоторепортаж из Гамбурга)

Оказалось, что можно создавать массивы из сотен частиц в одной пробирке. Получается своеобразный реактор, который можно использовать в некоторых химических реакциях, например электролитического окисления спиртов в альдегиды или кетоны. Обычно к методам электрохимии для этого не прибегают — ​нужно слишком много внешней энергии.

В перспективе авторы исследования предлагают от своего реактора питать микрои нанороботов, армия которых могла бы измерять разнообразные показатели — ​состояния человека, трубопроводов, окружающей среды. В лаборатории Страно над этим уже работают.

Реактор в рубашке

К извлечению энергии углерод припрягли давно — ​не только сжигая уголь, но и создавая генераторы энергии из графена, а также используя углеродные нанотрубки в солнечных батареях. А некоторые ученые даже хотят использовать алмазы для запуска термоядерной реакции — ​обстреливать крошечными алмазами мишень из замороженного дейтерий-тритиевого кристаллического метана.

В 2017 году коллектив из США и Южной Кореи показал, что с нанотрубками можно преобразовывать механическую энергию растяжения или кручения в электрическую. Ученые сделали нить из многостенных углеродных нанотрубок: лист из нанотрубок скрутили в трубку, эту трубку — ​в нить. Помещенная в электролиты нить становится конденсатором — ​при растяжении ее объем в поперечном сечении уменьшается, заряды сближаются. Если присоединить к нити электроды, в цепи возникает электрический ток. Авторы протестировали прототип в соленой воде в лаборатории, а затем в Тихом океане у берегов Южной Кореи. За счет воздействия волн происходило сжатие и растяжение нити. Устройство на основе этого метода может генерировать 250 Вт на килограмм нитей.

Поэкспериментировали и с одеждой — ​вплели в рубашку одного участника исследования такие нити, подсоединили электродами к осциллографу и выяснили, что электрический ток вырабатывается не только при физической активности, но даже от дыхания, реагируя на движения грудной клетки. По мнению авторов, такие нити можно использовать для создания одежды, которая будет питать электронику: медицинские датчики или смартфоны. Кроме того, ткани с вплетением — ​термостойкие и прочные. Из углеродной ткани даже делают бронированные костюмы, которые защищают от ножевых ранений и останавливают пулю до 45‑го калибра.

Новый материал может генерировать электричество, поглощая энергию из окружающей среды

Инженеры Массачусетского технологического института открыли новый способ производства электричества с использованием крошечных углеродных частиц, которые могут создавать ток, просто взаимодействуя с окружающей их жидкостью.

нанотрубка

Инженеры Массачусетского технологического института открыли новый способ производства электричества с использованием крошечных углеродных частиц, которые могут создавать ток, просто взаимодействуя с окружающей их жидкостью.

Читайте так же:
Самая опасная еда мира, которая моментально убьёт вас (видео)

По словам исследователей, жидкость, органический растворитель, вытягивает электроны из частиц, генерируя ток, который можно использовать для запуска химических реакций или для питания микро- или наноразмерных роботов.

«Этот механизм новый, и этот способ производства энергии совершенно новый, — говорят ученые. «Эта технология интригует, потому что все, что вам нужно сделать, это пропустить растворитель через слой этих частиц. Это позволяет выполнять электрохимию, но без проводов».

В новом исследовании, описывающем это явление, ученые показали, что они могут использовать этот электрический ток для запуска реакции, известной как окисление спирта — органической химической реакции, которая важна в химической промышленности.

Уникальные свойства

Новое открытие стало результатом исследований углеродных нанотрубок — полых трубок, состоящих из решетки атомов углерода, которые обладают уникальными электрическими свойствами.

В 2010 году исследователи впервые продемонстрировали, что углеродные нанотрубки могут генерировать «волны термоЭДС». Когда углеродная нанотрубка покрыта слоем топлива, движущиеся импульсы тепла или волны термоЭДС перемещаются по трубке, создавая электрический ток.

Эта работа привела исследователей к открытию родственной особенности углеродных нанотрубок. Они обнаружили, что, когда часть нанотрубки покрыта тефлоноподобным полимером, это создает асимметрию, которая позволяет электронам течь от покрытой к непокрытой части трубки, генерируя электрический ток. Эти электроны можно вытянуть, погрузив частицы в растворитель, который жаждет электронов.

Чтобы использовать эту способность, исследователи создали частицы, генерирующие электричество, измельчая углеродные нанотрубки и превращая их в лист материала, похожего на бумагу. Одна сторона каждого листа была покрыта тефлоноподобным полимером, а затем ученые вырезали мелкие частицы, которые могут иметь любую форму и размер. Для этого исследования они сделали частицы размером 250 на 250 микрон.

Когда эти частицы погружаются в органический растворитель, такой как ацетонитрил, растворитель прилипает к непокрытой поверхности частиц и начинает вытягивать из них электроны.

«Внутри нет сложной химии батареи. Это просто частица, которую вы помещаете в растворитель, и она начинает генерировать электрическое поле».

Сила частиц

Текущая версия частиц может генерировать около 0,7 вольт электричества на частицу. Ученые также показали, что они могут образовывать массивы из сотен частиц в небольшой пробирке.

Читайте так же:
Чоппер из велика

Этот реактор с «уплотненным слоем» вырабатывает достаточно энергии для химической реакции, называемой окислением спирта, в которой спирт превращается в альдегид или кетон. Обычно эту реакцию не проводят с использованием электрохимии, потому что для этого потребуется слишком большой внешний ток.

«Поскольку реактор с уплотненным слоем компактен, он имеет большую гибкость с точки зрения применения, чем большой электрохимический реактор», — говорят исследователи. «Частицы могут быть очень маленькими, и им не нужны внешние провода, чтобы проводить электрохимическую реакцию».

Далее исследователи надеются использовать этот вид выработки энергии для создания полимеров, используя только диоксид углерода в качестве исходного материала.

В более долгосрочной перспективе этот подход может также использоваться для питания микро- или наноразмерных роботов.

В США создан новой способ получения электроэнергии из угля

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) объединили две проверенные технологии, чтобы создать новую гибридную систему, которая сможет производить электричество, используя уголь в качестве источника топлива, при этом имея эффективность в двое больше, чем у обычных угольных электростанций.

Концепцию, предложенную доктором Кэтрин Онг и доктором Рональдом С. Крейном еще в 1972 году, пытается воплотить в жизнь профессор Ахмед Гунеймом со своей командой в виде комбинации газификации угля и использования топливных элементов на водороде для достижения эффективности почти 60%. Хотя в исследовании использовалось только компьютерное моделирование, а не лабораторные эксперименты, разработка опытно-промышленной установки может быть следующим шагом, который мог бы подтвердить эффективность установки в реальном мире.

Топливный элемент на водороде — это устройство, которое осуществляют превращение химической энергии водорода (или другого топлива) в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения.

Согласно статье, размещенной в специализированном издании MIT News, исследователи стремились объединить две системы, так как они работают при аналогичных температурах — 800 °С или более. По этой причине эти два компонента могут обмениваться теплом с минимальными потерями энергии.

Читайте так же:
Астрономы обнаружили, что у орбиты Юпитера «остановились» кометы, движущиеся к Солнцу

Комбинация газификации угля и использования топливных элементов на водороде

Комбинация газификации угля и использования топливных элементов на водороде

Одним из преимуществ новой системы является то, что не нужны никакие новые технологии, чтобы её воплотить в реальность. Газификация угля и топливные элементы широко используются в настоящее время. Однако исследователи определили один большой шаг вперед по сравнению с предыдущими попытками.

Для газификации угля новый процесс использует прохождение пара, в отличии от распространенного использования углекислого газа, через слой угольной пыли, расположенный на специальной колосниковой решетке в нижней части корпуса реактора. При этом из угля высвобождается газообразное топливо, включающее водород и окиси углерода. Газообразное топливо поступает в топливный элемент, где оно вступает в реакцию с кислородом из воздуха для производства электроэнергии, посредством создания ЭДС.

Новая гибридная система производит меньше золы и загрязнения воздуха, чем при сжигании такого же количества угля для выработки электроэнергии на обычных тепловых электростанциях. Захватить углекислый газ в данном процессе также легче. Хотя стоимость строительства электростанции с использованием данной технологии обойдется дороже, чем строительство обычной электростанции на угле, ее повышенная эффективность и низкие выбросы могли бы сделать этот вариант жизнеспособным в будущем.

Углекислый газ можно переработать в электричество и водородное топливо

Если мы хотим избежать прогнозируемый уже в этом столетии рост мировой температуры более чем на 1,5 градуса Цельсия, недостаточно просто сократить выбросы углекислого газа — нам необходимо также приложить все усилия для того, чтобы сократить уже имеющийся запас углекислого газа в атмосфере. Вдохновленные ролью океана в качестве эффективного естественного поглотителя углерода, ученые из южнокорейского Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) в сотрудничестве со специалистами из Технологического института Джорджии (США) разработали новую систему фильтрации, которая поглощает CO2 и производит из него электричество и пригодное для использование водородное топливо.

Новая установка Hybrid Na-CO2 System по сути представляет собой большую жидкую батарею. Система состоит из анода из металлического натрия, который помещается в органический электролит, и катода, помещенного в специальный водный раствор. Обе жидкости разделены натриевой мембраной Super Ionic Conductor (NASICON).

Читайте так же:
Почему все время хочется есть?

Когда в водный раствор подается запас CO2, он входит в реакцию с катодом, в результате чего раствор в резервуаре окисляется, что в свою очередь приводит к генерации электричества и производству водорода. Ученые отмечают, что в ходе испытаний эффективность преобразования CO2 в полезные продукты составила 50 процентов, а сама система оказалась достаточно стабильной и проработала более 1000 часов в полной нагрузке без каких-либо повреждений электродов. В отличии от других систем переработки, говорят разработчики, их установка при работе не производит никаких вредных выбросов. Оставшийся в резервуаре CO2 оседает и извлекается из электролита в виде старой пищевой соды.

«Технологии захвата, использования и хранения углерода в последнее время привлекают к себе повышенное внимание, поскольку обладают потенциалом, способным помочь нам справиться с глобальным потеплением. Ключом к данным технологиям является простое преобразование химически стабильных молекул CO2 в другие материалы. Наша новая система полагается на механизм растворения CO2», — комментирует профессор Ганта Ким, ведущий автор исследования, результаты которого были опубликованы в журнале iScience.

Разработанная инженерами и учеными установка Hybrid Na-CO2 System – не единственный концепт системы для сбора, хранения и переболтки углекислого газа, однако пока не совсем понятно, смогут ли этих технологии стать достаточно практичными в больших масштабах, чтобы оказать значительное влияние на объемы содержания CO2 в атмосфере. Например, технология прямого захвата диоксида углерода, разработанная компанией Climeworks, выглядит на данный момент одной из самых многообещающих. Но если учесть, что за год она способна переработать лишь 150 тонн CO2 при ежегодных выбросах в атмосферу в объеме 40 миллиардов тонн, то выглядит это все как попытка вычерпать воду из тонущего корабля обычной кружкой.

И все же разработчики Hybrid Na-CO2 System отмечают, что в их системе имеется простор для улучшения любой составляющей. А «вишенкой на торте» служит возможность производства электричества и водородного топлива, которое можно будет использовать, например, в водородном транспорте.

Обсудить разработку южнокорейских и американских ученых можно в нашем Telegram-чате.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию