В наше время существует ряд способов производства возобновляемой электроэнергии – солнечные батареи, ветряные генераторы, кто-то относит сюда гидроэлектростанции, энергия приливов и отливов, биотехнологические методы и много других. Недавно этот список пополнился ржавчиной.
Новое исследование, проведенное учеными из Калифорнийского технологического института и Северо-Западного университета, показывает, что тонкие пленки ржавчины – оксида железа – могут генерировать электричество, когда над ними течет соленая вода. Это явление представляет совершенно новый способ производства электроэнергии и может быть использовано для разработки новых форм устойчивого производства электроэнергии, передает сайт Phys.org.
Взаимодействия между соединениями металлов и соленой водой часто генерируют электричество, но это обычно является результатом химической реакции, в которой одно или несколько соединений превращаются в новые соединения. Подобные реакции являются основой используемых сегодня аккумуляторных батарей.
Напротив, явление, открытое Томом Миллером, профессором химии в Калифорнийском технологическом институте, и Францем Гейгером, профессором химии Доу в Северо-западном регионе, не связано с химическими реакциями, а скорее превращает кинетическую энергию протекающей соленой воды в электричество.
Подобное явление (электрокинетический эффект) наблюдалось ранее в тонких пленках графена – слоях атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке, – и это удивительно эффективно. Эффект примерно на 30 процентов выше при преобразовании кинетической энергии в электричество. Для сравнения, лучшие солнечные панели эффективны только на 20 процентов.
«Подобный эффект был замечен и в некоторых других материалах. Можно взять каплю соленой воды и протащить ее через графен и увидеть генерируемое электричество», – говорит Миллер.
Однако сложно изготовить нано-тонкие графеновые пленки и масштабировать их до приемлемых размеров. Миллер говорит, что пленки оксида железа, обнаруженные Миллером и Гейгером, относительно просты в изготовлении и могут масштабироваться до больших размеров.
«Это в основном просто ржавчина на железе, поэтому её довольно легко сделать на больших площадях», – говорит Миллер. «Это более надежная реализация того, что можно увидеть в графене».
Хотя ржавчина на железных сплавах будет образовываться сама по себе, команда должна была обеспечить ее постоянное образование в тонком слое. Для этого они использовали процесс, называемый физическим осаждением из паровой фазы (physical vapor deposition – PVD), который превращает твердые материалы, в данном случае оксид железа, в пар, который конденсируется на желаемой поверхности. PVD позволил им создать слой оксида железа толщиной 10 нанометров, примерно в 10 тысяч раз тоньше человеческого волоса.
Когда же ученые взяли железо, покрытое ржавчиной, и пропускали над ним растворы соленой воды с различными концентрациями, они обнаружили, что оно генерирует несколько десятков милливольт и несколько микроампер на квадратном сантиметре.
«В перспективе, плиты площадью 10 квадратных метров каждая будут генерировать несколько киловатт в час – достаточно для стандартного дома в США», – говорит Миллер.
Механизм генерации электричества сложен, состоит из ионной адсорбции и десорбции. По сути, данное явление работает следующим образом: ионы, присутствующие в соленой воде, притягивают электроны железа под слоем ржавчины. Поскольку соленая вода течет, то и эти ионы также передвигаются. Таким образом, под действием силы притяжения, соли захватывают электроны железа вместе с ними, создавая их упорядоченное движение и генерируя, по факту, электрический ток.
Миллер говорит, что этот эффект может быть полезен в определенных случаях, где есть природные движущиеся солевые растворы, например, в океане или человеческом теле.
«Например, приливная энергия или что-то качающееся в океане (например, буи) могут быть использованы для пассивного преобразования электрической энергии», – говорит он. «В наших венах течет периодическая энергия импульсов. Это может быть использовано для выработки электроэнергии для питания имплантатов». Подробные результаты исследования, под названием «Преобразование энергии с помощью нанослоев металлов», опубликованы в журнале «Proceedings of the National Academy of Sciences».
