Winzige Teilchen treiben chemische Reaktionen an

Die Flüssigkeit, ein organisches Lösungsmittel, zieht Elektronen aus den Partikeln und erzeugt einen Strom, der zum Antrieb von chemischen Reaktionen oder zum Antrieb von Robotern im Mikro- oder Nanobereich verwendet werden könnte, so die Forscher.
«Dieser Mechanismus ist neu, und diese Art der Energieerzeugung ist völlig neu», sagt Michael Strano vom MIT. «Diese Technologie ist faszinierend, weil man einfach nur ein Lösungsmittel durch ein Bett aus diesen Partikeln fließen lassen muss. So kann man Elektrochemie betreiben, aber ohne Drähte.»
In einer neuen Studie, die dieses Phänomen beschreibt, zeigten die Forscher, dass sie diesen elektrischen Strom nutzen können, um beispielsweise eine Alkoholoxidationsreaktion durchzuführen, welche in der chemischen Industrie wichtig ist. Strano ist Hauptautor der Arbeit, die soeben in Nature Communications erschienen ist.

Die neue Entdeckung entstand aus Stranos Forschungen über Kohlenstoff-Nanoröhren - hohle Röhren, die aus einem Gitter von Kohlenstoffatomen bestehen und einzigartige elektrische Eigenschaften haben. Im Jahr 2010 wies Strano erstmals nach, dass Kohlenstoff-Nanoröhren "Thermopower-Wellen" erzeugen können. Wenn ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einer Brennstoffschicht überzogen wird, bewegen sich Wärmeimpulse, sogenannte Thermopower-Wellen, entlang des Röhrchens und erzeugen einen elektrischen Strom.

Diese Arbeit führte Strano und seine Studenten zur Entdeckung einer verwandten Eigenschaft von Kohlenstoff-Nanoröhren. Sie fanden heraus, dass, wenn ein Teil eines Nanoröhrchens mit einem Teflon-ähnlichen Polymer beschichtet ist, eine Asymmetrie entsteht, die es den Elektronen ermöglicht, vom beschichteten zum unbeschichteten Teil des Röhrchens zu fließen und dabei einen elektrischen Strom zu erzeugen. Diese Elektronen können herausgezogen werden, indem die Partikel in ein elektronenhungriges Lösungsmittel getaucht werden.

Um diese besondere Fähigkeit zu nutzen, schufen die Forscher stromerzeugende Partikel, indem sie Kohlenstoff-Nanoröhrchen zerkleinerten und zu einem Blatt aus papierähnlichem Material formten. Eine Seite jedes Blattes wurde mit einem Teflon-ähnlichen Polymer beschichtet, und die Forscher schnitten dann kleine Stücke heraus, die jede Form und Grösse haben können. Für diese Studie stellten sie Stücke her, die 250 Mikrometer mal 250 Mikrometer gross waren.

Wenn diese Partikel in ein organisches Lösungsmittel wie Acetonitril getaucht werden, haftet das Lösungsmittel an der unbeschichteten Oberfläche der Partikel und beginnt, Elektronen aus ihnen herauszuziehen.

«Das Lösungsmittel nimmt Elektronen weg, und das System versucht, ein Gleichgewicht herzustellen, indem es Elektronen bewegt», sagt Strano. «Es gibt keine ausgeklügelte Batteriechemie im Inneren. Es ist nur ein Teilchen, das man in ein Lösungsmittel gibt und es beginnt, ein elektrisches Feld zu erzeugen.»

«Diese Forschung zeigt geschickt, wie man die allgegenwärtige (und oft unbemerkte) elektrische Energie, die in einem elektronischen Material gespeichert ist, für eine elektrochemische Synthese vor Ort extrahieren kann», sagt Jun Yao, ein Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik an der University of Massachusetts in Amherst, der nicht an der Studie beteiligt war. «Das Schöne ist, dass es auf eine generische Methodik hinweist, die leicht auf die Verwendung verschiedener Materialien und Anwendungen in unterschiedlichen synthetischen Systemen erweitert werden kann.»

Die aktuelle Version der Partikel kann etwa 0.7 Volt Strom pro Partikel erzeugen. In dieser Studie zeigten die Forscher auch, dass sie Anordnungen von Hunderten von Partikeln in einem kleinen Reagenzglas bilden können. Dieser «packed bed»-Reaktor erzeugt genug Energie, um eine chemische Reaktion, die sogenannte Alkohol-Oxidation, durchzuführen, bei der ein Alkohol in einen Aldehyd oder ein Keton umgewandelt wird. Normalerweise wird diese Reaktion nicht mit Hilfe der Elektrochemie durchgeführt, da sie zu viel externen Strom benötigen würde.

«Weil der Festbettreaktor kompakt ist, hat er mehr Flexibilität in Bezug auf Anwendungen als ein großer elektrochemischer Reaktor», sagt Zhang. «Die Partikel können sehr klein gemacht werden, und sie benötigen keine externen Drähte, um die elektrochemische Reaktion anzutreiben.»

In zukünftigen Arbeiten hofft Strano, diese Art der Energiegewinnung zu nutzen, um Polymere nur mit Kohlendioxid als Ausgangsmaterial herzustellen. In einem verwandten Projekt hat er bereits Polymere geschaffen, die sich selbst regenerieren können, indem sie Kohlendioxid als Baumaterial verwenden, und zwar in einem Prozess, der mit Sonnenenergie betrieben wird. Diese Arbeit ist inspiriert von der Kohlenstofffixierung, einer Reihe von chemischen Reaktionen, die Pflanzen nutzen, um mit Hilfe von Sonnenenergie Zucker aus Kohlendioxid aufzubauen.

Längerfristig könnte dieser Ansatz auch für den Antrieb von Robotern im Mikro- oder Nanobereich genutzt werden. Stranos Labor hat bereits mit dem Bau von Robotern in diesem Maßstab begonnen, die eines Tages als Diagnose- oder Umweltsensoren eingesetzt werden könnten. Die Idee, Energie aus der Umwelt zu gewinnen, um diese Art von Robotern anzutreiben, ist reizvoll, sagt er.

«Es bedeutet, dass man den Energiespeicher nicht an Bord haben muss», sagt er. «Was uns an diesem Mechanismus gefällt, ist, dass man die Energie, zumindest teilweise, aus der Umwelt entnehmen kann.»

Quelle:  Newsmeldung, Anne Trafton / MIT News Office

A.T. Liu, Y. Kunai, A.L. Cottrill et al. «Solvent-induced electrochemistry at an electrically asymmetric carbon Janus particle» Nat. Commun.12, 3415 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23038-7 (open access)