图片来源@视觉中国

文丨学术头条

我们或许低估了小小一块砖头的价值。现在，闭上眼睛，想象一下把电源插头直接插入你的砖房墙壁的场景。

根据华盛顿大学圣路易斯分校的研究人员本周在《自然-通讯》发表的一篇论文 Energy storing bricks for stationary PEDOT supercapacitors，世界上最便宜、最常见、也是最不起眼的建筑材料，传统烧结砖也能成为储能单元，这些“智能砖”充电后能像电池一样储存电能，随时准备为其他装置供电。

从古代层层垒砌的砖房算起，红砖作为传统古老的建筑材料，已经有了数千年的历史。虽然资历老，但是红砖却并没有在历史的长河中开发出其他的新技能。用砖砌成的墙和楼房已经占据了大量空间，如果能一砖两用，或许能增加其利用价值。

根据美国圣路易斯华盛顿大学的 Julio D’Arcy 和同事的介绍，他们已经开发出一种让这种红砖变身为一种名为超级电容器的储能装置。利用砖的多孔结构，研究人员使用气相沉积技术为整块砖添加了一层名为 PEDOT 的导电聚合物，让砖变成一个储能电极。

砖本身的红色色素——氧化铁（铁锈），对于诱发聚合反应来说十分关键。这种“智能砖”可以储存能量，电能可以持续储存，一直到需要为设备供电的时候。

研究人员还用一个概念验证装置证明可以用一块砖直接给一个发光二极管（LED）充电。

把砖头变成电池

红砖之所以总是呈现红色，主要是因为它主要的组成物质是红色的——通常情况下，红砖由熔融颗粒的二氧化硅(SiO2)，氧化铝(Al2O3)和赤铁矿(ar -Fe2O3)2组成。而砖的红色来源于赤铁矿，这种色素在 73000 年前就被人类首次使用，现在是一种低成本、天然丰富的无机前体，用于催化物、磁体和合金。

不要小看了平平无奇的赤铁矿—— 当下，最强大的储能物质也来自赤铁矿。例如，FeNx、FeP 和 Li5FeO4 通过阴离子或阳离子交换合成钾离子电池、锌空气电池、假电容器和锂离子电池; 同时，利用赤铁矿的电化学性质的转变也可以用来制造 FeOOH 超级电容器阳极。

研究人员的灵感来自他们最近的研究主题—— 锈助气相聚合。在烧制红砖的过程中，赤铁矿会发生复杂的化学反应，这也为研究人员探索开发它的潜在效用提供了新的机会。在烧结砖上，8 wt% 的氧化锆-Fe2O3 含量和 3D 多孔微观结构为理想的坚固的电极设计提供了坚实的基底。

在此基础上，研究人员开发了一个超级电容器。他们使用砖赤铁矿微结构作为反应物蒸汽沉积纳米纤维涂层的导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩，PEDOT)。气相合成使 PEDOT 涂料具有高电导率和容易的电荷转移，使其成为生产电极的理想材料。该合成利用砖的开放微观结构和热稳定性，使酸和单体蒸汽在 160 摄氏度下通过其孔隙，以控制氧化自由基聚合导致的氧化-Fe2O3 溶解和 Fe3+ 水解。

为了模拟砖-砂浆-砖结构，超级电容器改性使用的准固态电解质(聚乙烯醇/1 M H2SO4)，也发挥粘合剂和分离器的作用。研究人员表示，这种设备是防水的，因为它们涂有环氧封装层，保护它们能够在温度在 20 到 60 摄氏度之间存储电荷。一个超级电容器在环境条件下是稳定的，经历 10,000 次充放电循环，库伦效率~100%，电容保持率~90%。另外，通过三台设备串联，制作出达到 3.6 V 电压窗的超级电容器砖模块。

应用潜力广泛

研究人员表示，这一概念验证工作演示了如何在普通砖的表面存储能量，超级电容器技术也为这种极便宜的建筑材料增加了价值，并展示了一种可扩展的过程，为建筑应用中使用烧砖的嵌入式微设备提供能源存储。

化学助理教授胡里奥·达西(Julio D’arcy)说:“我们开发出的这个方法可以应用在普通砖或回收砖的改造上，当然，我们也可以自己制造砖。事实上，我们发表的研究成果源于我们在密苏里州布伦特伍德(Brentwood)家得宝(Home Depot)购买的砖块——每块砖 65 美分。”

我们都知道，由砖建造的建筑占据了大量的空间，如果它们有一个额外的存储电能的用途，将拥有更大的价值可以利用。虽然一些建筑师和设计师已经认识到这种不起眼的砖具有吸收和存储太阳热量的能力，但这是第一次有人尝试将砖不仅仅用作取暖和制冷的热质。

“在这项工作中，我们开发了一种导电聚合物 PEDOT 的涂层，它由纳米纤维组成，可以穿透砖块内部的多孔网络；聚合物涂层被困在砖块中，作为离子海绵储存和导电。”达西说。

砖中的红色颜料——氧化铁（铁锈）——是引发聚合反应的必要条件。研究人员的计算表明，用这些储能砖砌成的墙可以储存大量的能量。

“这些智能砖是为应急照明提供电力的理想建筑材料，”达西说，“我们设想，当你把砖和太阳能电池连接起来时，这可能成为现实——这可能需要 50 块砖，而这 50 块砖可以为应急照明提供 5 小时的电力。”

“更值得一提的是，作为超级电容器的砖墙可以充电数十万次。如果你把几块砖连接起来，微电子传感器就可以很容易地获得电力。”

参考资料：
Wang, H., Diao, Y., Lu, Y., Yang, H., Zhou, Q., Chrulski, K., & D’Arcy, J. M. (2020). Energy storing bricks for stationary PEDOT supercapacitors. Nature Communications, 11(1), 3882. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17708-1
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-08/wuis-sei080620.php