Een nieuw materiaal gemaakt van koolstofnanobuisjes kan elektriciteit opwekken door energie uit de omgeving te halen

MIT-ingenieurs hebben een nieuwe manier ontdekt om elektriciteit op te wekken met behulp van kleine koolstofdeeltjes die een stroom kunnen creëren door simpelweg te interageren met de vloeistof eromheen.

De vloeistof, een organisch oplosmiddel, trekt elektronen uit de deeltjes en genereert een stroom die kan worden gebruikt om chemische reacties aan te drijven of om robots op micro- of nanoschaal aan te drijven, zeggen de onderzoekers.

“Dit mechanisme is nieuw en deze manier van energieopwekking is volledig nieuw”, zegt Michael Strano, de Carbon P. Dubbs-hoogleraar Chemical Engineering aan het MIT. “Deze technologie is intrigerend omdat je alleen een oplosmiddel door een bed van deze deeltjes hoeft te laten stromen. Hierdoor kun je elektrochemie doen, maar zonder draden.”

In een nieuwe studie die dit fenomeen beschrijft, toonden de onderzoekers aan dat ze deze elektrische stroom konden gebruiken om een ​​reactie aan te drijven die bekend staat als alcoholoxidatie – een organische chemische reactie die belangrijk is in de chemische industrie.

Strano is de hoofdauteur van het artikel, dat vandaag verschijnt in Natuurcommunicatie. De hoofdauteurs van de studie zijn MIT-afgestudeerde student Albert Tianxiang Liu en voormalig MIT-onderzoeker Yuichiro Kunai. Andere auteurs zijn onder meer voormalig afgestudeerde student Anton Cottrill, postdocs Amir Kaplan en Hyunah Kim, afgestudeerde student Ge Zhang en recent MIT-afgestudeerden Rafid Mollah en Yannick Eatmon.

Unieke eigenschappen

De nieuwe ontdekking kwam voort uit Strano’s onderzoek naar koolstofnanobuisjes – holle buizen gemaakt van een rooster van koolstofatomen, die unieke elektrische eigenschappen hebben. In 2010 toonde Strano voor het eerst aan dat koolstofnanobuisjes ’thermokrachtgolven’ kunnen genereren. Wanneer een koolstofnanobuis is bedekt met een laag brandstof, reizen bewegende pulsen van warmte of thermokrachtgolven langs de buis, waardoor een elektrische stroom ontstaat.

Dat werk bracht Strano en zijn studenten ertoe een verwant kenmerk van koolstofnanobuisjes te ontdekken. Ze ontdekten dat wanneer een deel van een nanobuisje wordt gecoat met een teflonachtig polymeer, dit een asymmetrie creëert die het mogelijk maakt dat elektronen van het gecoate naar het ongecoate deel van de buis stromen, waardoor een elektrische stroom wordt gegenereerd. Die elektronen kunnen eruit worden gehaald door de deeltjes onder te dompelen in een oplosmiddel dat hongerig is naar elektronen.

Om dit speciale vermogen te benutten, creëerden de onderzoekers elektriciteitopwekkende deeltjes door koolstofnanobuisjes te vermalen tot een vel papierachtig materiaal. Een kant van elk vel was bedekt met een Teflon-achtig polymeer en de onderzoekers sneden vervolgens kleine deeltjes uit, die elke vorm of grootte kunnen hebben. Voor dit onderzoek maakten ze deeltjes van 250 micron bij 250 micron.

Wanneer deze deeltjes worden ondergedompeld in een organisch oplosmiddel zoals acetonitril, hecht het oplosmiddel zich aan het onbeklede oppervlak van de deeltjes en begint elektronen eruit te trekken.

“Het oplosmiddel neemt elektronen weg en het systeem probeert in evenwicht te komen door elektronen te verplaatsen”, zegt Strano. “Er zit geen geavanceerde batterijchemie in. Het is maar een deeltje en je stopt het in oplosmiddel en het begint een elektrisch veld te genereren.”

Deeltjeskracht

De huidige versie van de deeltjes kan per deeltje ongeveer 0,7 volt elektriciteit opwekken. In deze studie toonden de onderzoekers ook aan dat ze arrays van honderden deeltjes kunnen vormen in een kleine reageerbuis. Deze reactor met een “gepakt bed” genereert voldoende energie om een ​​chemische reactie aan te drijven, alcoholoxidatie genaamd, waarbij een alcohol wordt omgezet in een aldehyde of een keton. Meestal wordt deze reactie niet uitgevoerd met behulp van elektrochemie omdat er te veel externe stroom voor nodig zou zijn.

“Omdat de gepakte bedreactor compact is, heeft hij meer flexibiliteit qua toepassingen dan een grote elektrochemische reactor”, zegt Zhang. “De deeltjes kunnen heel klein worden gemaakt en hebben geen externe draden nodig om de elektrochemische reactie aan te sturen.”

In de toekomst hoopt Strano dit soort energieopwekking te gebruiken om polymeren te bouwen met alleen koolstofdioxide als uitgangsmateriaal. In een gerelateerd project heeft hij al polymeren gemaakt die zichzelf kunnen regenereren met koolstofdioxide als bouwmateriaal, in een proces dat wordt aangedreven door zonne-energie. Dit werk is geïnspireerd op koolstoffixatie, de reeks chemische reacties die planten gebruiken om suikers te maken uit koolstofdioxide, met behulp van energie van de zon.

Op de langere termijn zou deze benadering ook kunnen worden gebruikt om robots op micro- of nanoschaal aan te drijven. Strano’s lab is al begonnen met het bouwen van robots op die schaal, die ooit zouden kunnen worden gebruikt als diagnostische of omgevingssensoren. Het idee om energie uit de omgeving te kunnen halen om dit soort robots van stroom te voorzien, is aantrekkelijk, zegt hij.

“Het betekent dat je de energieopslag niet aan boord hoeft te leggen”, zegt hij. “Wat we leuk vinden aan dit mechanisme, is dat je de energie, althans gedeeltelijk, uit de omgeving kunt halen.”