Коробки-оригами из графена - новая технология хранения водородного топлива

Исследователи из университета Мэриленда продемонстрировали результаты компьютерного моделирования, которые служат доказательством того, что графен, при помощи электрических полей и воздействий другого рода, может быть "сложен" в виде аккуратной трехмерной герметичной коробки, служащей в качестве емкости, хранящей небольшое количество водорода. Воздействие другого рода может заставить графеновую коробку-оригами раскрыться и выпустить водород, который может быть использован в качестве топлива водородных топливных элементов.

Метод, при помощи которого графен складывается в коробку, имеет название HAGO (hydrogenation-assisted graphene origami). В этом процессе задействованы графеновые пленки, которым при помощи предварительной обработки была придана необходимая форма. Форма графеновой пленки и силы, возникающие при соединении атомов водорода со свободными валентными связями атомов углерода на краю пленки, являются причиной, по которой пленка самостоятельно сворачивается в герметичную коробку-оригами, во внутреннем объеме которой содержится некоторое количество водорода под давлением.

Силы, заставляющие свернуться графеновую пленку и удерживающие ее в виде коробки, достаточно сильны для того, чтобы выдержать избыточное давление заключенного в ней водорода, а электрическое поле используется на самом последнем этапе, он нарушает процессы взаимодействия атомов углерода и водорода, заставляя коробку развернуться и выпустить содержавшийся в ней водород.

"Для того, чтобы заставить предварительно отформованную графеновую пленку самостоятельно свернуться в трехмерную наноструктуру нужно только наличие водорода" - рассказывает Тенг Ли (Teng Li), профессор из университета Мэриленда, - "Электрическое поле используется для "поляризации" графена, что уменьшает силы притяжения слоев графена и что приводит к обратному развертыванию наноструктуры. После отключения электрического поля пленка снова сворачивается и этот процесс может быть повторен сколько угодно раз".

Следует отметить, что графеновые коробки-оригами способны хранить водород в количестве 9.7 процента от общего веса. Это существенно превышает значения, поставленные в качестве цели американским Министерством энергетики, которые планировали добиться такого показателя для систем хранения водородного топлива на уровне 5.5 процентов к 2017 году и 7.5 процентов к 2020 году.

http://spectrum.ieee.org/nanoclast/green-tech/fuel-cells/graphene-origami-boxes-exceed-hydrogen-storage-targets

Создан топливный элемент для тараканов-киборгов

Крошечный источник питания вырабатывает энергию, используя биологическую жидкость из организма насекомого.

Помните наш жутковатый неполиткорректный рассказ об электронном комплекте RoboRoach, при помощи которого можно превратить обычного живого таракана в киборга с дистанционным управлением посредством смартфона? Процедура трансформации заключается в установке на спине насекомого небольшой микросхемы и вживлении в усы стимулирующих микроэлектродов.

Для питания RoboRoach служит небольшая батарея. Но что если вместо неё использовать топливный элемент, вырабатывающий энергию постоянно? Именно такой миниатюрный источник питания создали исследователи из Осакского университета и Токийского университета агрономии и технологий (оба — Япония).

Фото Dennis Kunkel Microscopy, Inc. / Visuals Unlimited / Corbis.

Топливный элемент имеет размеры 20×15 мм, что позволяет закрепить его на спине таракана. Ячейка содержит электроды, крошечный резервуар для жидкости и иглоподобную трубку, вживляемую в насекомое. Внутри резервуара находится диализная мембрана.

Электричество генерируется следующим образом: через трубку из организма таракана методом диффузии в резервуар попадает биологическая жидкость, содержащая трегалозу (углевод из группы невосстанавливающих дисахаридов). Это вещество при помощи ферментов расщепляется с образованием глюкозы. Последняя окисляется на положительном электроде, а на негативном — генерируется кислород за счёт окислительно-восстановительной реакции.

Схема работы топливного элемента (изображение Tech-On!).

Прототип топливного элемента изготовлен из деталей, полученных методом трёхмерной печати. Выдаваемая мощность равна приблизительно 50 мкВт. Предполагается, что подобные источники питания будут подавать электричество на электронные компоненты насекомых-киборгов — средства дистанционного управления и беспроводной передачи данных. Это позволит контролировать тараканов и других насекомых (скажем, крылатых) в течение длительного времени, заставляя их выполнять задания, скажем, по сбору информации в труднодоступных местах.

Результаты исследования представлены на конференции по микроэлектромеханическим системам IEEE MEMS 2014, которая с 26 по 30 января проходила в Сан-Франциско (Калифорния, США).

Читайте также об этичности создания насекомых-киборгов.

Подготовлено по материалам Tech-On!.

Владимир Парамонов

Топливная батарея на сахарах показала невиданную эффективность

Водородные топливные батареи нуждаются в платине, да и водород для них не слишком дёшев и распространён. Могут ли их энзимные аналоги, использующие вместо газа сахара, оказаться более практичным источником энергии?

Группа исследователей под руководством Персиваля Чжана (Y.H. Percival Zhang) из Политехнического университета Виргинии (США) разработала перезаряжаемую батарею на основе сахаров, по удельной ёмкости во много раз превосходящую современные литий-ионные аналоги.

«Сахар — отличное средство хранение энергии в природе, — поясняет г-н Чжан. — Вполне логично попробовать использовать его возможности, чтобы создать экодружелюбные батареи».

Персиваль Чжан (справа) и Чжигуан Чжу показывают свои «сахарные» батареи. (Здесь и ниже иллюстрации Virginia Tech College of Agriculture and Life Sciences.)

Учёные использовали каскадный набор энзимов, смешанный в комбинации, не встречающейся в природе, одновременно недорогой и эффективной.

По сути, конечная система весьма близка к водородному или прямометанольному топливному элементу. За несколькими важными отличиями: «топливом» в новой сахарной батарее служит мальтодекстрин — полисахарид, получаемый частичным гидролизом крахмала (если пожевать крахмал, вы ощутите именно его вкус). Окислителем выступает атмосферный воздух, а «выхлопом» — обычная вода. И никакой нужды в платине как катализаторе, так как её роль играют дешёвые энзимы.

Новая энзимная батарея, равно как и её топливо, невзрывоопасна, не горит, а материалы, из которых она сделана, вполне биоразлагаемы. Батарея легко перезаряжается при помощи операции, по сложности не превосходящей замену картриджа в принтере.

Энзимные топливные элементы, подчёркивают исследователи, не новость, но до сих пор их эффективность была не слишком высокой. Окисление сахаров в них управлялось одним или несколькими энзимами, что не позволяло полностью использовать материал в качестве топлива. В новой же установке удаётся получить гораздо больше электронов, что резко увеличивает отдачу энергии на единицу массы сахаров, хотя для этого и приходится использовать последовательно 13 видов энзимов.

Энзимные топливные батареи с 15-процентным раствором мальтодекстрина (патоки) имеют плотность накопления энергии в 596 А•ч/кг — на порядок больше, чем у перезаряжаемых литиевых батарей, применяемых сегодня. И это не удивляет, благо и полисахариды не литий по числу электронов, и окислитель новым батареям нести не приходится, потому что они берут его прямо из воздуха.

Сравнение нового источника энергии (EFC) с традиционными впечатляет, хотя напряжение одиночного элемента питания не слишком велико.

Наилучшие перспективы для таких систем их авторам видятся в портативной электронике, где они могут обеспечить куда более длительную работу на одной зарядке.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications.

Подготовлено по материалам Виргинского политехнического университета.
Александр Березин

S	M	T	W	T	F	S
						1
2	3	4	5	6	7	8
9	10	11	12	13	14	15
16	17	18	19	20	21	22
23	24	25	26	27	28	29
30	31

donmigel_62