Пленки ржавчины генерируют электричество из проточной воды

Есть много способов производства электричества, для примера, батареи, солнечные батареи, ветряные турбины и гидроэлектростанции, ... а теперь есть ржавчина.

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. Эти пленки представляют совершенно новый способ производства электричества и могут быть использованы для разработки новых форм устойчивого производства электроэнергии.

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 - вот что работает внутри батарей.

Напротив, явление, открытое Томом Миллером (Tom Miller), профессором химии в Калифорнийском технологическом институте, и Францем Гейгером (Franz Geiger), профессором химии в Северо-западном регионе, не связано с химическими реакциями, а скорее превращает кинетическую энергию протекающей соленой воды в электричество.

Явление, электрокинетический эффект, ранее наблюдалось в тонких пленках графена - листах атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке, - и это удивительно эффективно - 30% при преобразовании кинетической энергии в электричество. Для справки, лучшие солнечные панели показывают только 20%.

«Подобный эффект был замечен и в некоторых других материалах. Вы можете взять каплю соленой воды и протащить ее через графен и увидеть генерируемое электричество», - говорит Миллер.

Однако сложно изготовить графеновые пленки и масштабировать их до приемлемых размеров. Миллер говорит, что пленки оксида железа, обнаруженные им и Гейгером, относительно просты в изготовлении и могут масштабироваться до больших размеров.

«Это в основном просто ржавчина на железе, поэтому его 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 (PVD), который превращает обычно 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 они взяли железо, покрытое ржавчиной, и пустили по нему растворы соленой воды с различными концентрациями, они обнаружили, что оно генерирует несколько десятков милливольт и несколько микроампер на кв. см.

«В перспективе плиты площадью 10 квадратных метров каждая будут генерировать несколько киловатт в час - этого достаточно для стандартного дома в США, - говорит Миллер. - Конечно, менее требовательные приложения, в том числе устройства с низким энергопотреблением в удаленных местах, являются более перспективными в ближайшем будущем».

Механизм генерации электричества сложен, включает в себя ионную адсорбцию и десорбцию, но по сути он работает следующим образом: ионы, присутствующие в соленой воде, притягивают электроны в железе под слоем ржавчины. Поскольку соленая вода течет, то эти ионы посредством силы притяжения увлекают электроны в железе вместе с собой, генерируя электрический ток.

Миллер говорит, что этот эффект может быть полезен в определенных сценариях, где есть 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 ваших венах с периодическими импульсами течет соленая жидкость. Это может быть использовано для выработки электроэнергии для питания имплантатов».