MITの技術者たちは、微小な炭素粒子を使って電気を生み出す方法を発見しました。
粒子は、浮遊している有機溶媒と相互作用するだけで電流を生み出すことができます。
この粒子は、テフロンに似た高分子でコーティングされた、粉砕されたカーボンナノチューブから作られています。
MITの技術者たちは、周囲の液体と相互作用するだけで電流を生み出すことができる微小な炭素粒子を使った、新たな発電方法を発見しました。
研究者らによると、有機溶媒である液体は粒子から電子を引き出し、化学反応を駆動したり、マイクロまたはナノスケールのロボットに電力を供給したりするために使える電流を生み出します。
「このメカニズムは新しく、このエネルギーの生成方法は全く新しいものです」と、MITの化学工学分野でカーボン・P・ダブズ教授を務めるマイケル・ストラノ氏は述べています。「この技術が興味深いのは、溶媒をこれらの粒子の層に流すだけでよいからです。これにより、配線なしで電気化学を行うことができます。」
この現象を説明する新たな研究で、研究者らは、この電流を用いて、化学産業において重要な有機化学反応であるアルコール酸化反応を駆動できることを示しました。
ストラノ氏は、本日発表された論文の上級著者です。この論文は Nature Communications に掲載されました。本研究の筆頭著者は、MITの大学院生であるアルバート・ティアンシャン・リウ氏と、元MIT研究員のユイチロウ・クナイ氏です。その他の著者には、元大学院生のアントン・コットリル氏、ポスドクのアミール・カプラン氏とヒュナ・キム氏、大学院生のゲ・チャン氏、そして最近MITを卒業したラフィド・モラー氏とヤニック・イートモン氏が含まれます。
独特の特性
この新たな発見は、ストラノ氏によるカーボンナノチューブの研究から生まれました。カーボンナノチューブは、炭素原子の格子で構成された中空の管で、独特の電気的特性を持っています。2010年、ストラノ氏は、カーボンナノチューブが「熱電力波」を生み出せることを初めて実証しました。カーボンナノチューブの表面が燃料の層で覆われると、熱の脈動、すなわち 熱電力波が管に沿って進み、電流を生み出します。
その研究をきっかけに、ストラノ氏と学生たちはカーボンナノチューブに関連する別の特性を発見しました。カーボンナノチューブの一部がテフロンに似た高分子でコーティングされると、非対称性が生じ、電子がコーティングされた部分からコーティングされていない部分へと流れ、電流が発生することが分かりました。これらの電子は、電子を強く引き寄せる溶媒に粒子を浸すことで引き出すことができます。
この特殊な能力を活用するため、研究者らはカーボンナノチューブを粉砕し、紙に似たシート状の材料に成形することで、発電粒子を作製しました。各シートの片面はテフロンに似た高分子でコーティングされ、その後、研究者らは小さな粒子を切り出しました。粒子の形状やサイズは自由に決めることができます。本研究では、250マイクロメートル×250マイクロメートルの粒子を作製しました。
これらの粒子をアセトニトリルなどの有機溶媒に浸すと、溶媒は粒子のコーティングされていない表面に付着し、粒子から電子を引き出し始めます。
「溶媒は電子を奪い、系は電子を移動させることで平衡を保とうとします」とストラノ氏は述べています。「内部に高度な電池化学は存在しません。ただの粒子であり、それを溶媒に入れると電場を生み出し始めるのです。」
「この研究は、電子材料に蓄えられた、どこにでも存在する（しばしば気づかれない）電気エネルギーを、現場での電気化学合成のために取り出す巧妙な方法を示しています」と、本研究には関わっていないマサチューセッツ大学アマースト校電気・コンピュータ工学部のジュン・ヤオ助教授は述べています。「優れた点は、異なる材料や異なる合成系における用途へ容易に拡張できる、汎用的な方法論を示していることです。」
粒子の電力
現在のバージョンの粒子は、1粒子あたり約0.7ボルトの電気を生み出すことができます。本研究では、研究者らは小さな試験管内で数百個の粒子の配列を形成できることも示しました。この「充填層」反応器は、アルコールがアルデヒドまたはケトンに変換されるアルコール酸化と呼ばれる化学反応を駆動するのに十分なエネルギーを生み出します。通常、この反応は、過剰な外部電流を必要とするため、電気化学的には行われません。
「充填層反応器はコンパクトなため、大型の電気化学反応器よりも用途の面で柔軟性があります」とチャン氏は述べています。「粒子は非常に小さく作ることができ、電気化学反応を駆動するために外部の配線は一切必要ありません。」
今後の研究では、ストラノ氏はこの種のエネルギー生成を利用し、出発原料として二酸化炭素のみを用いて高分子を合成することを目指しています。関連するプロジェクトでは、すでに 高分子を作製しており、これらは太陽エネルギーを動力源とするプロセスにおいて、建材として二酸化炭素を用いて自己再生することができます。この研究は、植物が太陽からのエネルギーを使って二酸化炭素から糖を合成するために用いる一連の化学反応である炭素固定に着想を得たものです。
長期的には、このアプローチはマイクロまたはナノスケールのロボットに電力を供給するためにも利用できる可能性があります。ストラノ氏の研究室では、すでにそのスケールの ロボットの製作に着手しており、これらは将来的に診断用または環境センサーとして利用される可能性があります。環境からエネルギーを集めてこの種のロボットに電力を供給できるという考えは魅力的だと、ストラノ氏は述べています。
「つまり、エネルギー貯蔵装置を搭載する必要がなくなるということです」と氏は述べています。「このメカニズムの魅力は、少なくとも部分的には、エネルギーを環境から取り出せる点にあります。」
本研究は、米国エネルギー省およびMITエネルギーイニシアチブからのシード助成金によって資金提供を受けました。
