İnsan yaşamı boyunca sürekli olarak enerjiye ihtiyaç duydu. Teknolojinin gelişmesiyle ihtiyaç duyulan bu enerji miktarı artmıştır. Bilim insanları enerji üretmek ve üretilen enerjiyi depolamak için araştırma ve laboratuvar çalışmasında bulundular. Bu çalışmaların en yenisi ise Washington Üniversitesi tarafından geliştirilen “Enerji Depolayabilen Akıllı Tuğlalar“ oldu. Washington Üniversitesi çalışmalarının sonuçlarını 11 Ağustos 2020 tarihinde Nature Communications‘da yayınladı.
Çalışmalar Doç. Dr. Julio D’Arcy, üniversitede yüksek lisans öğrencisi Hongmin Wang ve çalışma arkadaşları kırmızı tuğlaların süperkapasitör adı verilen depolama cihazına dönüşebileceğini gösterdiler. Araştırma ekibinin yaptığı deneyle, yeşil bir led lambayı yakacak kadar voltaj üretilebildi. Tuğlanın 10 saniyede, 3 volta kadar yüklenerek yeşil bir LED lambayı 10 dakika kadar yakabildi. Tuğlalardan yapılar çok fazla yer kaplamaktadır ve bu çalışma ile tuğlaların sadece bir duvar veya bir yapı malzemesi olarak kullanılmasının dışında verimli bir amaç için de kullanımını sağladı.
Tuğlanın gözenekli yapısına etki eden nanoliflerden bir iletken polimer PEDOT kaplaması geliştirildi. Burada polimer kaplama tuğlaya sıkışmış olarak kalır enerji depolayıp üretebilen bir iyon süngeri olarak görev yapar. Kırmızı tuğlaların renk pigmenti demir oksit veya pastır bu da polimerizasyon reaksiyonunun tetiklenmesi için gereklidir. Bu çalışma sayesinde malzemenin yüzeyini aşındıran ve malzemelerin dayanıklılığını azalttığı bilinen demir oksitlerin, malzeme ve kimya bilimleri için faydalı özelliğe sahip olduğu keşfedildi.
Nanofibriler bir PEDOT kaplamasının tuğla üzerine yerleştirilmesi
– Monomer buharı kısmen çözünmüş FeOOH çekirdekleriyle reaksiyona girerek yüksek en-boy oranlı PEDOT nanoliflerin tercihli yönlü büyümesine neden olur.
– Bir PEDOT kaplamasının kalınlığı, yüzey polimerize PEDOT kaplı tuğlalar veya tamamen polimerize edilmiş tuğlalar üretmek için bir reaksiyona imkan veren reaksiyon süresi ve stokiyometri ile kontrol edilir.
– Reaksiyon diyagramı, reaksiyonlarımızda bulunan asitle katalize edilmiş polimerizasyon ve oksidatif radikal polimerizasyon mekanizmaları arasındaki rekabeti gösterir.
Farklı tuğla türleri üzerinde nanofibriler PEDOT kaplamalar
– Sentez için üç tür kırmızı tuğla kullanılır.
– Sentezden sonra, tüm tuğla türleri benzer en-boy oranına sahip PEDOT nanolifleri ile homojen olarak kaplanır.
– 1. tip tuğla için toz X ışını kırınım modeli, SiO2, a-Fe2O3 ve Al2O3’ten oluşan bir bileşimi gösterir.
– Tip 2 ve tip 3 tuğlalar benzer desenler ve kristal bileşenler gösterir.Tip 2 tuğladan 2θ = 28 ° ‘de daha keskin ve daha güçlü tepe, daha yüksek Al2O3 içeriği veya kristalliğinden kaynaklanmaktadır.
– Sentez, desimetre boyutlu tuğlalara ölçeklenebilir.
Çeşitli tuğlalar üzerinde PEDOT kaplamaların analizi
– Doğrusal akım-gerilim eğrileri, karşılaştırılabilir dirençlere sahip nanofibriler PEDOT kaplamaların omik davranışlarını gösterir.
– Tuğlalar üzerinde yapılan su emme deneyleri, açık gözenek yapılarının incelenmesini sağlar ve tüm tuğlalar, yüksek gözeneklilik nedeniyle en çok suyu emen tip 1 tuğlalı PEDOT kaplamalardan sonra su emiliminde değişiklikler gösterir.
– Nanofibriler bir PEDOT kaplama, Scotch bant testleri sırasında diğer tiplere göre tip 1 tuğlaya üstün yapışma gösterir.
– Kesitsel taramalı elektron mikrografları, sağlam PEDOT yapışmasına yol açan tip 1 tuğlada gömülü PEDOT ağını gösterir.
Nanofibriler PEDOT kaplı tuğlaların üç elektrotlu karakterizasyonu
– Nanofibriler PEDOT kaplı tip 1 tuğla (1 cm × 0.5 cm × 0.28 cm), 1 cm × 0.5 cm’lik bir yüzü elektrolite maruz bırakan polimid bant kullanılarak bir Pt akım kablosuna bağlanır.
– Fe3 + / Fe2 + redoks tepe noktaları, tarama hızı 25 mVs ^ ( − 1)’ e yükseldiğinde kaybolur.
– Elektrot 1 M Na2SO4 elektroliti için 1 M H2SO4’e kıyasla daha küçük bir eğri alanı gösterir ve daha düşük kapasitansı gösterir.
– Farklı elektrolitler kullanılarak toplanan Nyquist grafikleri, yerleştirilmiş (düz çizgiler) ve deneysel verileri (ayrılmış noktalar) gösterir.
Kullanım Alanları
PEDOT yapılı kırmızı tuğlalar için ideal kullanım şekli acil durum aydınlatmalarıdır. Yapılan hesaplamalara göre tuğlaların güneş pillere bağlandığında, yükün yakın çevresinde 50 tuğla alabilir. Bu tuğlalarda acil durum aydınlatmasının beş saat boyunca çalışmasını sağlayacaktır.
Mikroelektronik sensörler kolayca çalıştırılabilir.
Avantajları
– Süper kapasitör görevi gören bir tuğla duvar, bir saat içinde defalarca şarj edilebilir. Birkaç tuğla bağlanırsa, mikroelektronik sensörler kolayca çalıştırılabilir.
– Enerji üretimi ve depolanması için ekstra bir tesise veya alana ihtiyaç duymaz.
– Kolayca bulunabilen malzemelerden yapılır.
– Ekonomik ve çok fazla bütçeye ihtiyaç duymaz.
– Diğer enerji kaynakları gibi çevreden etkilenmezler (Örn; Güneş panelleri).
– Yeşil enerji kaynağıdır.
– Hem normal tuğla ile hem de geri dönüştürülmüş tuğlalar ile çalışır.
– Su altında da çalışabilir.
Kaynakça:
https://www.nature.com/
https://source.wustl.edu/
https://edition.cnn.com/
