麻省理工学院的工程师们发现了一种使用微小碳颗粒发电的新方法，只需与周围的液体相互作用即可产生电流。研究人员说，这种液体是一种有机溶剂，从粒子中吸取电子，产生电流，可用于驱动化学反应或为微型或纳米级机器人提供动力。

“这种机制是新的，这种产生能量的方式是全新的，”麻省理工学院化学工程教授迈克​​尔斯特拉诺说。“这项技术很有趣，因为你所要做的就是让溶剂流过这些颗粒床。这让你可以进行电化学，但不需要电线。”

在一项描述这种现象的新研究中，研究人员表明他们可以利用这种电流来驱动一种称为醇氧化的反应——一种在化学工业中很重要的有机化学反应。

Strano 是该论文的资深作者，该论文今天发表在Nature Communications 上。该研究的主要作者是麻省理工学院研究生 Albert Tianxiang Liu 和前麻省理工学院研究员 Yuichiro Kunai。其他作者包括前研究生 Anton Cottrill、博士后 Amir Kaplan 和 Hyunah Kim、研究生 Ge Zhang，以及最近的麻省理工学院毕业生 Rafid Mollah 和 Yannick Eatmon。

独特的属性

这项新发现增长斯特拉诺的研究出来的碳纳米空心由碳原子构成的晶格的管子，其具有独特的电气性能。2010 年，斯特拉诺首次证明碳纳米管可以产生“热能波”。当碳纳米管涂上一层燃料时，移动的热脉冲或热电波沿管传播，产生电流。

这项工作促使斯特拉诺和他的学生发现了碳纳米管的一个相关特征。他们发现，当纳米管的一部分涂上类似特氟龙的聚合物时，它会产生不对称性，使电子可以从管子的涂层部分流到管子的未涂层部分，从而产生电流。可以通过将粒子浸入需要电子的溶剂中来提取这些电子。

为了利用这种特殊能力，研究人员通过研磨碳纳米管并将它们形成一张纸状材料来制造发电粒子。每张纸的一侧涂有类似特氟龙的聚合物，然后研究人员切出小颗粒，可以是任何形状或大小。在这项研究中，他们制造了 250 微米 x 250 微米的颗粒。

当这些颗粒浸入乙腈等有机溶剂中时，溶剂会粘附在颗粒未涂层的表面上，并开始将电子从中拉出。

“溶剂带走电子，系统试图通过移动电子来平衡，”斯特拉诺说。“里面没有复杂的电池化学成分。它只是一个粒子，你把它放入溶剂中，它开始产生电场。”

粒子功率

当前版本的粒子每个粒子可以产生大约 0.7 伏特的电力。在这项研究中，研究人员还表明，他们可以在一个小试管中形成数百个粒子的阵列。这种“填充床”反应器产生足够的能量来为称为醇氧化的化学反应提供动力，在该反应中，醇被转化为醛或酮。通常，该反应不使用电化学进行，因为它需要太多的外部电流。

“由于填充床反应器结构紧凑，与大型电化学反应器相比，它在应用方面具有更大的灵活性，”张说。“这些颗粒可以做得非常小，而且它们不需要任何外部电线来驱动电化学反应。”

在未来的工作中，斯特拉诺希望利用这种发电方式来构建仅使用二氧化碳作为起始材料的聚合物。在一个相关项目中，他已经创造了可以使用二氧化碳作为建筑材料在太阳能驱动的过程中自我再生的聚合物。这项工作的灵感来自碳固定，即植物利用来自太阳的能量从二氧化碳中制造糖类的一系列化学反应。

从长远来看，这种方法还可用于为微型或纳米级机器人提供动力。Strano 的实验室已经开始制造这种规模的机器人，有朝一日可以用作诊断或环境传感器。他说，能够从环境中获取能量来为这类机器人提供动力的想法很有吸引力。

“这意味着你不必将能量存储放在船上，”他说。“我们喜欢这种机制的一点是，你可以从环境中获取能量，至少是部分能量。”