Слои ржавчины вырабатывают электроэнергию.
Существует много технологий производства электроэнергии – солевые батарейки, солнечные батареи, ветряные турбины, плотины, гидроэлектростанции и т.д… Существует даже доменная зона .technology. Теперь применение нашлось и ржавчине.
Новые исследования, проведенные учеными Кальтех и Северо-Западного университета, показывают, что тонкие слои оксида железа могут вырабатывать электроэнергию при прохождении через них соленой воды. Эти пленки представляют собой совершенно новый способ производства электроэнергии и могут быть использованы для разработки новых стабильных форм производства электроэнергии.
Взаимодействие соединений металлов и соленой воды часто генерируют электричество, но это, как правило, результат химической реакции, в которой одно или несколько соединений преобразуются в новые. Такие реакции происходят, например, в батареях.
Явление, обнаруженное профессорами химии Томом Миллером и Францем Гайгером, не связано с химическими реакциями, а, скорее, с преобразованием кинетической энергии течения морской воды в электричество.
Ранее электрокинетический эффект наблюдался в тонких слоях графеновых листов толщиной в один атом углерода, расположенных в гексагональной кристаллической решетке, и он показал себя необычайно эффективным. КПД преобразования кинетической энергии в электричество приближается к 30 процентам. Для сравнения, лучшие солнечные батареи эффективны лишь на 20%.
«Аналогичный эффект наблюдался и в некоторых других материалах. Вы можете взять каплю соленой воды, прогнать ее сквозь графен и посмотреть, как вырабатывается электричество»,- говорит Миллер.
Однако изготовление графеновых пленок и их масштабирование до нужного размера затруднено. А вот пленки оксида железа относительно просты в производстве и масштабируются до больших размеров.
«По сути, это просто ржавчина на железе, поэтому ею довольно легко покрыть большие площади», — говорит Миллер. «Это более надежное воплощение того, что можно встретить в графене.»
Несмотря на то, что ржавчина образуется на сплавах железа сама по себе, исследователям необходимо было обеспечить ее образование равномерно тонким слоем. Для этого они использовали процесс, называемый физическим осаждением из пара (PVD), который превращает твердые материалы, в данном случае оксид железа, в пар, конденсируемый на желаемой поверхности. PVD позволило им создать слой оксида железа толщиной 10 нанометров, что примерно в 10 тысяч раз тоньше человеческого волоса.
Когда они взяли железо, покрытое ржавчиной, и пропустили через него растворы соленой воды различной концентрации, то обнаружили, что оно дает несколько десятков милливольт и несколько микроампер на квадратный сантиметр.
«В перспективе листы, площадью в 10 квадратных метров каждый, будут вырабатывать несколько киловатт-часов, чего достаточно для стандартного американского дома, — говорит Миллер. Конечно, возможно и менее энергозатратное применение, включая маломощные устройства в отдаленных местах.»
Механизм производства электроэнергии является сложным и включает в себя адсорбцию и десорбцию ионов, но он, по сути, работает следующим образом: Ионы, присутствующие в соленой воде, притягивают электроны в железе под слоем ржавчины. Эти ионы протекают в железе вместе с течением морской воды, там самым генерируя электрический ток.
Миллер говорит, что этот эффект может пригодится в конкретных случаях, где существует движение физрастворов, например, в океане или организме человека.
«Энергия приливов и отливов или объекты, дрейфующие в океане, такие как буи, могут быть использованы для пассивного преобразования электроэнергии, — говорит он. «У вас в венах течет соленая вода, которую можно было бы использовать для производства электроэнергии и питания имплантатов.»
Статья «Преобразование энергии с помощью металлических нанослоёв» опубликована в сборнике трудов Национальной академии наук 29 июля и посвящена их результатам.