水下發電機採用普魯士藍陰極,直接靠海水補充電力

作者 | 發布日期 2019 年 05 月 15 日 18:53 | 分類 尖端科技 , 材料 , 材料、設備 follow us in feedly


當探測儀器在海下冒險時,它們需要一台擁有高功率密度和高能量密度的發電機,以免電力不足導致探測器無法下潛至深海。最近,來自中國的科學家開發出新型發電機,能夠直接從海水提取並補充電力,不用再擔心海下探測器無法長時間運作,或需要額外攜帶笨重的電源系統。

繪製海底地貌 / 水流 / 溫度,檢查、修復海底管線 / 海底電纜等,這些都是水下儀器執行的幾種任務,然而處於深海極端條件下,儀器需要的是一台能產生高能量密度(維持長時間運行)、高功率密度(短時間內提供大電流)的發電機,才能在海中快速移動或伸展機械手臂。

之前也有其他公司推出過類似的海下電源系統,只是設計模式不同。來自中國華東師範大學(ECNU)、上海大學、中國環境科學研究院的科學家們,受到一些海洋生物可以利用不同材料作為電子受體(electron acceptor),在有氧/厭氧模式間切換細胞呼吸作用的啟發,設計出相同原理的新型發電機,關鍵為普魯士藍(Prussian blue)製成的陰極。

普魯士藍是一種深藍色顏料,化學名稱為「亞鐵氰化鐵」分子式為:Fe7(CN)18⋅14H2O),價格便宜含量豐富,而其內部具有獨特結構:氰化物離子做為「支柱」、鐵離子做為「節點」,使這種物質能比其他電池電極化合物更快、可逆地儲存能量。

而普魯士藍與金屬陽極結合,就可開始利用海水發電。當電力需求低時,新型發電機就靠水中溶氧維持低電流功率,流入陰極的電子會被直接轉移到溶氧(dissolved oxygen,DO),由於溶氧取之不盡,所以理論上可在無限時間內提供低電流功率。

當儀器需要快速增加電流以進行高功率任務(比如夾東西、快速前進)時,陰極沒有足夠溶氧立即吸收所有流入陰極的電子,此時就是普魯士藍表現的時刻:首先將鐵原子氧化態從 +3 降低到 +2 來儲存電子,而為了維持電荷平衡,帶正電的鈉離子會停留在陰極框架內,由於鈉在海水中濃度極高,因此陰極可以在短時間內吸收大量電子。

當電流需求降低時,電子再次轉移到氧氣中,氧氣再生框架,Fe(2+)重新被氧化成 Fe(3+),如此維持儀器長時間運作。團隊目前測試該系統,確認其可以在低功率模式下連續運行 4 天,沒有明顯的功率損耗,於腐蝕性海水中表現非常穩定。新論文發表在《Angewandte Chemie》期刊。

(首圖來源:pixabay