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双模式发电机,能让水下设备直接从海水中获取能量

2019-05-15    来源:《应用化学国际版》
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[ 导读 ]:新发电系统的灵感源于海洋生物:很多海洋生物可以通过使用不同的材料作为电子受体来转换其细胞呼吸的有氧/厌氧模式,系统的关键点在于用普鲁士蓝制成的阴极。这是一种开放的框架结构——氰化物离子形成“支柱”,铁离子作为“节点”。整个框架结构可以很容易地接受和释放电子。阴极材料与金属阳极结合时,系统就能利用海水发电了。

 
水下交通工具、潜水机器人和探测器等需要有“自给自足”的能源供应,才能在不依赖后勤船队的情况下长时间工作。
 
sciencedaily.com网站5月13日报道,中国华东师范大学等机构的研究人员在《应用化学国际版》杂志公布了一种新型的水下能源系统。该系统造价低廉、可以直接利用电化学方法从海水中提取能量。系统的优点在于既能够处理短期的电力需求峰值,又能保持长期的电力稳定。并且,两种操作模式之间还能自动切换。
 
水下设备需要执行的任务(如海底地形绘制、海底管道修复等)越发复杂。其发电系统面临的主要挑战是既要产生高能量密度满足设备的基本电力需求,又需要产生高功率密度(短期高电流流量),用于快速移动和抓斗抓取等操作。
 
新发电系统的灵感源于海洋生物:很多海洋生物可以通过使用不同的材料作为电子受体来转换其细胞呼吸的有氧/厌氧模式,系统的关键点在于用普鲁士蓝制成的阴极。这是一种开放的框架结构——氰化物离子形成“支柱”,铁离子作为“节点”。整个框架结构可以很容易地接受和释放电子。阴极材料与金属阳极结合时,系统就能利用海水发电了。
 
发电系统运行时,如果功率需求较小,流入阴极的电子就会直接转移到溶解氧中。海水中的溶解氧是“取之不尽用之不竭的”,因此从理论上讲系统可以在低电流条件下提供无限电力。然而,由于海水中的溶解氧浓度很低,当电力需求急剧增加时,阴极缺乏足够的溶解氧立即吸收所有的电子。此时需要普鲁士蓝将铁的氧化态从+3降低至+2来存储这些电子。为了维持电荷平衡,带正电荷的钠离子会留在框架内。海水中的钠离子浓度很高,因此系统可以在短时间内吸收很多电子。当电流需求降低时,电子再次转移到溶解氧中,铁的价态由+2恢复至+3,钠离子离开系统。
 
新发电系统在腐蚀性的海水中表现出良好的稳定性。实验中,它在高能模式下连续运行了4天。而在高功率模式下,系统能够提供39个发光二极管和一个螺旋桨的能量需求。
 
原创编译:雷鑫宇 审稿:alone 责编:唐林芳
 
期刊来源:《应用化学国际版》
 
关键词: 双模式发电机 海水
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