磚頭變 “充電寶”？3 塊磚讓 LED 燈亮 10 分鐘

你沒看錯，這個磚頭可以讓 LED 燈亮起來。

就是這種很不起眼的普通紅磚，不到一塊錢就能買到，未來或許可以變成一個 “充電寶”？

近期，圣路易斯華盛頓大學(xué) D'Arcy 實驗室發(fā)表了一項最新研究，發(fā)現(xiàn)磚塊這種最基本的建筑材料竟然可以儲電。

改造后的紅磚能連接電源循環(huán)充電 1 萬次，而且單次充電后，三塊 4×3×1 cm 的磚塊可以為綠色 LED 燈供電約 10 分鐘（如上圖所示）。雖然現(xiàn)在看起來，磚塊儲存的電量微不足道，但在未來加入更多金屬氧化物后將大幅提高其儲電性能，或?qū)閮δ芙ㄖ牧系脑O(shè)計帶來啟示。

這項研究發(fā)表在了雜志上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17708-1

圣路易斯華盛頓大學(xué)的化學(xué)助理教授、也是論文的通訊作者 Julio D’arcy 表示，“我們創(chuàng)造了一種可以搭建在你的房子里的新型磚頭，具備儲電的功能。”他補(bǔ)充說：“我們認(rèn)為，傳感應(yīng)用在這些磚上也不難實現(xiàn)。”

多年來，D’arcy 和他的同事們一直在用鐵銹做實驗，鐵銹是一種無處不在的紅色薄膜，主要由熔融顆粒的二氧化硅 (SiO2)，氧化鋁 (Al2O3)和赤鐵礦 (α-Fe2O3)2 組成。它會在任何含有鐵的結(jié)構(gòu)上形成。

鐵銹通常被認(rèn)為是一種有害的腐蝕性物質(zhì)，但 D’arcy 的團(tuán)隊已經(jīng)證明生銹的氧化鐵對材料科學(xué)有有用的特性。

D’arcy 解釋說：“如果你用化學(xué)方法處理鐵銹，它實際上會發(fā)生反應(yīng)?！薄八?，我們通常認(rèn)為的廢料，其實是一種有用的化學(xué)物質(zhì)，可以用來生產(chǎn)儲存能源的材料?！?/p>

而紅磚中的色素部分來源于鐵銹，這促使研究人員進(jìn)一步研究磚的結(jié)構(gòu)特性，看看它們是否能轉(zhuǎn)化為一種叫做 “超級電容器”的儲能設(shè)備。

磚內(nèi)部復(fù)雜的多孔性是引入復(fù)雜聚合物涂層的理想空間，聚合物涂層與鐵銹反應(yīng)，增加了磚的表面積和電導(dǎo)率。

這些照片和顯微鏡圖像顯示了普通燒制紅磚在納米纖維涂層沉積前后的結(jié)構(gòu)，納米纖維涂層增加了磚內(nèi)的表面積。

經(jīng)過修改后，該團(tuán)隊設(shè)計出了一種智能磚的原型，它能儲存足夠的能量來為綠燈供電。該團(tuán)隊目前正在利用這一發(fā)現(xiàn)制造使用各種金屬氧化物和聚合物涂層的特殊磚塊。

除了改進(jìn)電導(dǎo)率和存儲能力，這一項目的研究人員還希望證明空氣傳感器或水凈化系統(tǒng)可以集成到磚塊中。

也就是說，研究人員希望當(dāng)水從屋頂流下并穿過磚塊時就可以得到凈化，然后將其收集起來。D’arcy 猜想道，“我們總是考慮用過濾器凈化水。但如果房子是一個過濾器呢？”

這都還是一種暢想，距離實現(xiàn)還很遠(yuǎn)。不過，近期 D’arcy 和他的同事們正專注于提高這些磚的發(fā)電效率，這樣它們就可以作為普通家庭的備用電源，比如應(yīng)急照明系統(tǒng)。

D’arcy 說：“如果我們能增加一塊磚所能儲存的能量，我們就能擴(kuò)大規(guī)模，并使用更少的磚。”

那么，在普通磚的表面儲存能量，是怎么實現(xiàn)的呢？

燒制磚的開放微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械堅固性和~ 8wt% 的α-Fe2O3 含量為開發(fā)電化學(xué) PEDOT 電極和可隨時堆疊成模塊的固定超級電容器提供了理想的基底。研究人員利用紅磚的多孔結(jié)構(gòu)，使用酸蒸汽溶解紅磚內(nèi)部的鐵氧化物，為整塊磚添加了一層由 PEDOT（一種導(dǎo)電聚合物）組成的纖維網(wǎng)。

用環(huán)氧樹脂作為防水外殼，使超級電容器在水下運行，凝膠電解質(zhì)可將循環(huán)穩(wěn)定性提高到 10,000 次循環(huán)，電容保留率高達(dá) 90%。

▲ 在磚上沉積納米纖維 PEDOT 涂層。

這項工作的靈感來自該團(tuán)隊近期發(fā)表的銹助氣相聚合。赤鐵礦所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)為在燒結(jié)磚上開發(fā)尖端功能提供了機(jī)會，在燒結(jié)磚上，8wt% 的α-Fe2O3 含量和 3D 多孔微觀結(jié)構(gòu)為機(jī)械上堅固的電極設(shè)計提供了理想的基底。

在這里，團(tuán)隊開發(fā)了一種超級電容器，使用磚的赤鐵礦微結(jié)構(gòu)作為反應(yīng)物，蒸汽沉積導(dǎo)電聚合物聚 (3,4 - 乙烯二氧噻吩)納米纖維涂層 (PEDOT)。氣相合成使 PEDOT 涂料具有高電導(dǎo)率和容易的電荷轉(zhuǎn)移，使其成為生產(chǎn)電極的理想途徑。該合成利用磚的開放微觀結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性，使酸和單體蒸汽在 160℃下通過其孔隙，以控制反相氧化自由基聚合導(dǎo)致的α-Fe2O3 溶解和 Fe3 + 水解。

納米纖維 PEDOT 涂層磚的三電極表征。

以上演示了如何在普通磚的表面存儲能量，使用α-Fe2O3 作為氧化劑前驅(qū)體來控制氧化自由基聚合，并從氣相共形沉積電容性納米纖維 PEDOT 涂層。磚的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和開放的微觀結(jié)構(gòu)使得磚電極具有堅固的機(jī)械性能，當(dāng)連接在一起并涂上環(huán)氧樹脂時，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的固定式防水超級電容器模塊。

這項超級電容器技術(shù)可以為這種 “十分便宜”的建筑材料增加價值，并展示了一種可擴(kuò)展的過程，為建筑應(yīng)用中使用燒磚的嵌入式微設(shè)備提供能源存儲。

Julio D'Arcy 是圣路易斯華盛頓大學(xué)的化學(xué)助理教授，他在加州大學(xué)洛杉磯分校獲得化學(xué)博士學(xué)位，他的專長領(lǐng)域是共軛聚合物，電化學(xué)和薄膜復(fù)合設(shè)備，對能源應(yīng)用特別感興趣。

Julio D'Arcy 實驗室的目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用新型功能性納米有機(jī)和無機(jī)材料，利用通用的合成化學(xué)協(xié)議來控制化學(xué)結(jié)構(gòu)、納米級形態(tài)和固有性質(zhì)。

D'Arcy 研究小組致力于發(fā)展電化學(xué)能源存儲技術(shù)，使智能電網(wǎng)成為可能，并為交通工具和電子設(shè)備提供強(qiáng)大的動力。設(shè)備測試使用電化學(xué)技術(shù)，如循環(huán)伏安法，恒電流充電 / 放電曲線，和電化學(xué)阻抗譜。

想象一下，一旦用 “磚”儲電的設(shè)想實現(xiàn)，未來所有的房屋建筑都能自帶磚頭 “儲電機(jī)”，也會是一項改變未來城市的重要研究。