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恼人的铁锈可能在发电方面派上用场。
发电的方式非常多样，如太阳能发电、风力涡轮机发电和水力发电等。现在，铁锈也可以用于发电了。phys.org网站7月30日报道，美国加州理工学院和西北大学的科学家们的最新研究成果表明，盐水在流过生锈的氧化铁薄膜时可以发电。这种铁氧化物薄膜有望成为一种全新的发电方式，助力未来的可持续发电行业。金属氧化物和盐水之间的相互作用可以产生电能，但这通常是化学反应的结果，其中会有一个或多个化合物被转化为新化合物。这也是大多数电池内部的工作原理。相比之下，加州理工学院化学教授Tom Miller和西北大学教授Franz Geiger的新发现并不涉及化学反应，而是将流动盐水的动能转化为电能。相关研究成果刊登于《美国国家科学院院刊》杂志。
流动盐水的动能转化为电能是动电学效应的结果。此前，研究人员已经在石墨烯薄膜上观察到过类似现象。动电学效应非常有效，它将动能转化为电能的效率约为30%，而最好的太阳能电池板的效率也仅仅20%左右。Miller说：“取一滴盐水，将它拖过石墨烯薄膜表面，就能产生电能。在其他材料中也可以观察到类似结果。石墨烯薄膜的制造工艺和扩大化很复杂，大型氧化铁薄膜的制造则相对容易——氧化铁薄膜就是铁锈，所以它的生产相对很容易。”
虽然铁合金本身就能生锈，但Miller等需要确保其表面形成的氧化铁薄膜是均匀一致的。为了达到这个目的，他们使用了物理气相沉积法（PVD）。采用PVD法可以将固体材料（本例中是氧化铁）转化为蒸汽，然后在理想的表面进行冷凝。借助PVD法，Miller等制造出了约10纳米厚度的氧化铁层。研究人员让不同浓度的盐水溶液流过铁锈层时，发现每平方厘米薄膜可产生几十毫伏/几微安的电流。Miller说：“每10平米的氧化铁薄膜每小时可以产生几千万的电量，这已经足够美国一个普通家庭的使用。当然，氧化铁薄膜发电对于要求较低的应用，如偏远地区的低功耗设备，更有前景。”
“铁锈发电”背后的机理非常复杂，主要包括离子吸附与解吸。它的基本原理是这样的：盐水中的离子对铁锈层下方的铁合金中的电子产生吸引作用，但盐水流动时，离子也随之流动，在吸引力作用下，铁中的电子被其拖曳，进而产生电流。Miller认为这种动电学效应在特定情况下非常有用。他说：“类似浮标这样在海洋中漂浮的设备，可以利用海水进行被动的电能转换。人类血管中的含盐液体以周期性脉冲流动，这可以为植入物发电。”
科界原创
编译：雷鑫宇
审稿：阿淼
责编：唐林芳
期刊来源：《美国国家科学院院刊》
期刊编号：0027-8424
原文链接：
https://phys.org/news/2019-07-ultra-thin-layers-rust-electricity.html
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