水下交通工具、潛水機器人和探測器等需要有“自給自足”的能源供應(yīng)，才能在不依賴后勤船隊的情況下長時間工作。

 

sciencedaily.com網(wǎng)站5月13日報道，中國華東師范大學(xué)等機構(gòu)的研究人員在《應(yīng)用化學(xué)國際版》雜志公布了一種新型的水下能源系統(tǒng)。該系統(tǒng)造價低廉、可以直接利用電化學(xué)方法從海水中提取能量。系統(tǒng)的優(yōu)點在于既能夠處理短期的電力需求峰值，又能保持長期的電力穩(wěn)定。并且，兩種操作模式之間還能自動切換。

 

水下設(shè)備需要執(zhí)行的任務(wù)（如海底地形繪制、海底管道修復(fù)等）越發(fā)復(fù)雜。其發(fā)電系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)是既要產(chǎn)生高能量密度滿足設(shè)備的基本電力需求，又需要產(chǎn)生高功率密度（短期高電流流量），用于快速移動和抓斗抓取等操作。

 

新發(fā)電系統(tǒng)的靈感源于海洋生物：很多海洋生物可以通過使用不同的材料作為電子受體來轉(zhuǎn)換其細(xì)胞呼吸的有氧/厭氧模式，系統(tǒng)的關(guān)鍵點在于用普魯士藍(lán)制成的陰極。這是一種開放的框架結(jié)構(gòu)——氰化物離子形成“支柱”，鐵離子作為“節(jié)點”。整個框架結(jié)構(gòu)可以很容易地接受和釋放電子。陰極材料與金屬陽極結(jié)合時，系統(tǒng)就能利用海水發(fā)電了。

 

發(fā)電系統(tǒng)運行時，如果功率需求較小，流入陰極的電子就會直接轉(zhuǎn)移到溶解氧中。海水中的溶解氧是“取之不盡用之不竭的”，因此從理論上講系統(tǒng)可以在低電流條件下提供無限電力。然而，由于海水中的溶解氧濃度很低，當(dāng)電力需求急劇增加時，陰極缺乏足夠的溶解氧立即吸收所有的電子。此時需要普魯士藍(lán)將鐵的氧化態(tài)從+3降低至+2來存儲這些電子。為了維持電荷平衡，帶正電荷的鈉離子會留在框架內(nèi)。海水中的鈉離子濃度很高，因此系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)吸收很多電子。當(dāng)電流需求降低時，電子再次轉(zhuǎn)移到溶解氧中，鐵的價態(tài)由+2恢復(fù)至+3，鈉離子離開系統(tǒng)。

 

新發(fā)電系統(tǒng)在腐蝕性的海水中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。實驗中，它在高能模式下連續(xù)運行了4天。而在高功率模式下，系統(tǒng)能夠提供39個發(fā)光二極管和一個螺旋槳的能量需求。

 

原創(chuàng)編譯：雷鑫宇 審稿：alone 責(zé)編：唐林芳

 

期刊來源：《應(yīng)用化學(xué)國際版》