颗粒扔“水”就发电，无导线的新时代

作为能源领域的关键角色，电化学反应相关的催化、合成，以及能源转换与存储等领域的发展日见更新。不过，一个司空见惯的场景可能并未引起研究者的重视。例如，电催化反应的进行必须有外加电化学设备的控制，因为“电化学”的能源必须通过外部供给。因此，想尽快实现新技术的规模化应用，能源供给侧、设备体积和成本考虑是关键因素。那么，如果电化学反应过程无需外部复杂的驱动设备，可以实现像普通化学反应一样的“投料”，就能自主完成电化学反应，那么，整个反应流程就会化繁为简，实现按需反应的新模式。

这听起来就觉得不可思议，确实，人的脑电波无需导线就能产生“电波”，细胞膜没有导线也能产生电势差，难道化学物质也有此等“智慧”？

当然，更不可思议的是竟然有研究者将其化为了现实，来看看究竟是怎么回事？

一、奇妙发现

近日，据MIT报道，该校的研究人员成功实现了通过微小的粒子驱动电化学反应的全新“发电”模式。相关成果以“Solvent-induced electrochemistry at an electrically asymmetric carbon Janus particle”为题发表在Nature Communications上。 

 将一半的碳纳米管包覆一层Teflon类型的聚合物，电子将从有涂层的部分流向裸露的部分。将这种材料浸在有机溶剂中，溶剂将电子从裸露的部分拉出，作为响应，电子从有涂层的部分不断输送出去，从而产生电流。因此，如果想进行电化学反应，你所要做的就是让一种溶剂流过这些粒子，你就能在没有外部导线的情况下进行电化学反应实验了。正如该项研究的负责人Michael Strano所说“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，它就开始产生电场。”

研究者通过研磨碳纳米管，再将其压成类似纸张的材料来制造这种新型的发电粒子。在其中的一个面涂覆聚合物，然后将复合薄片切割成250 μm宽的小颗粒，将其浸没在有机溶剂乙腈中，自发电的颗粒就能运行了。例如，将一些这样的微粒放置在试管中，形成固定床反应器，然后注入化学原料和溶剂，就能自主进行电化学反应了，该系统的每个粒子可以产生 ~0.7 V的电压，足以驱动化学反应的进行。

 来自马萨诸塞大学安姆斯特分校的助理教授Jun Yao指出，这项研究实现了可以智能提取存储在电子材料中无处不在却常常被忽视的电能，从而可以就地实现电化学合成。更为关键的是，提出了一种通行的方法论，可以很便利的扩展到不同的材料体系中，并实现多种化学合成。

二、主要结果

如图1所示，为了制备能够产生溶剂触发电偶电位效应的粒子，将纯化和氧化（o-）的单壁碳纳米管（SWNT）粉末热压成500 μm 的薄片，其中一侧涂有聚合物材料，例如Nafion、PVA或PTFE。将这些薄片切割成250 μm的长方体会产生Janus碳颗粒，仅留下暴露的(未保护的)表面来直接接触溶剂。

图2 a) Janus微粒原位驱动电化学反应（例如，Fe²⁺→Fe³⁺，或者Cu²⁺→Cu⁰）;b)发电机理; c-d) 500 µm × 250 µm ×250 µm 的o-SWNT/PTFE颗粒表面曲线和拉曼成像图; e)颗粒的垂直界面; f) 暴露于乙腈和聚合物保护的o-SWNT的拉曼光谱; g) Janus粒子的电学输出测试; h)等体积(2 mm³)，不同长宽比（AR）颗粒的CV特性 @ 2021 The Authors

 如图2所示，颗粒发电机（图2a）利用了“不对称化学掺杂”原理，即通过向一半的颗粒偏置乙腈溶剂来实现暴露于溶剂的SWNT表面的空间不对称 （图2b）。将这些薄片切割而成的Janus碳颗粒(图1c-e)，该平整的立方颗粒的粗糙度为23.3 m。拉曼成像描绘了空间均匀的SWNT费米能级为 -0.19 eV，G带拉曼位移约为1589±1cm^-1(图1f)。将SWNT/聚合物颗粒浸入乙腈溶剂中，聚合物层充当SWNT和溶剂间的输运屏障，在碳纳米管轴向产生了感生电势所需的空间不对称的乙腈掺杂梯度（图1h），由溶剂诱导的费米能级的梯度可以从图1f中拉曼G带 ~15 cm^-1的位移证实。图1g的定量输出表明了明显的与体积相关的容量特征，当颗粒体积分别为0.031, 0.063和0.093 mm³时，总电荷分别为0.039, 0.065和0.094 µA∙h。

研究者随后进行了一系列的原位氧化还原反应来验证这种颗粒的实用性，如，二茂铁氧化、金属离子还原，以及多种醇类的氧化反应，证明了自发电颗粒的强大功能。特别是，如图3所示，50个颗粒制成的固定床反应器可以通过采用注射泵持续注入反应原料来实现连续的电化学反应。不要小看这样的“简单”反应器，这将有助于研究者在诸如核磁管这种小型测试容器中实现原位电化学表征，极大的降低了研究的成本和复杂性。

三、潜在影响

在谈到未来的研究构想时，这项研究的负责人指出，未来希望能够利用这种能源来得到仅使用CO₂作为原料的聚合物。目前，他们已经初步开发出一种可以利用CO₂作为主要成分，通过太阳能提供动力，实现自主再生的聚合物。从更长远的方面来看，这种新的发电机制也可以用来为微型或纳米机器人提供动力，从环境中汲取能量来实现自驱动的机器人有望在多种领域大展身手。

其实，这种有趣的发电机制可以在更多需要电驱动、能量储存、能量转换甚至可持续能源设备中得到应用。这项研究巧妙的借鉴化学势的动力，实现了化学能到电能，再到化学能的闭环循环，为未来实现更宏大的可持续能源发展提供了新的思路。

 文献链接

欲知成果详情，扫码直达！