砖头变 “充电宝”？3 块砖让 LED 灯亮 10 分钟

你没看错，这个砖头可以让 LED 灯亮起来。

就是这种很不起眼的普通红砖，不到一块钱就能买到，未来或许可以变成一个 “充电宝”？

近期，圣路易斯华盛顿大学 D'Arcy 实验室发表了一项最新研究，发现砖块这种最基本的建筑材料竟然可以储电。

改造后的红砖能连接电源循环充电 1 万次，而且单次充电后，三块 4×3×1 cm 的砖块可以为绿色 LED 灯供电约 10 分钟（如上图所示）。虽然现在看起来，砖块储存的电量微不足道，但在未来加入更多金属氧化物后将大幅提高其储电性能，或将为储能建筑材料的设计带来启示。

这项研究发表在了杂志上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17708-1

圣路易斯华盛顿大学的化学助理教授、也是论文的通讯作者 Julio D’arcy 表示，“我们创造了一种可以搭建在你的房子里的新型砖头，具备储电的功能。”他补充说：“我们认为，传感应用在这些砖上也不难实现。”

多年来，D’arcy 和他的同事们一直在用铁锈做实验，铁锈是一种无处不在的红色薄膜，主要由熔融颗粒的二氧化硅 (SiO2)，氧化铝 (Al2O3)和赤铁矿 (α-Fe2O3)2 组成。它会在任何含有铁的结构上形成。

铁锈通常被认为是一种有害的腐蚀性物质，但 D’arcy 的团队已经证明生锈的氧化铁对材料科学有有用的特性。

D’arcy 解释说：“如果你用化学方法处理铁锈，它实际上会发生反应。”“所以，我们通常认为的废料，其实是一种有用的化学物质，可以用来生产储存能源的材料。”

而红砖中的色素部分来源于铁锈，这促使研究人员进一步研究砖的结构特性，看看它们是否能转化为一种叫做 “超级电容器”的储能设备。

砖内部复杂的多孔性是引入复杂聚合物涂层的理想空间，聚合物涂层与铁锈反应，增加了砖的表面积和电导率。

这些照片和显微镜图像显示了普通烧制红砖在纳米纤维涂层沉积前后的结构，纳米纤维涂层增加了砖内的表面积。

经过修改后，该团队设计出了一种智能砖的原型，它能储存足够的能量来为绿灯供电。该团队目前正在利用这一发现制造使用各种金属氧化物和聚合物涂层的特殊砖块。

除了改进电导率和存储能力，这一项目的研究人员还希望证明空气传感器或水净化系统可以集成到砖块中。

也就是说，研究人员希望当水从屋顶流下并穿过砖块时就可以得到净化，然后将其收集起来。D’arcy 猜想道，“我们总是考虑用过滤器净化水。但如果房子是一个过滤器呢？”

这都还是一种畅想，距离实现还很远。不过，近期 D’arcy 和他的同事们正专注于提高这些砖的发电效率，这样它们就可以作为普通家庭的备用电源，比如应急照明系统。

D’arcy 说：“如果我们能增加一块砖所能储存的能量，我们就能扩大规模，并使用更少的砖。”

那么，在普通砖的表面储存能量，是怎么实现的呢？

烧制砖的开放微观结构、机械坚固性和~ 8wt% 的α-Fe2O3 含量为开发电化学 PEDOT 电极和可随时堆叠成模块的固定超级电容器提供了理想的基底。研究人员利用红砖的多孔结构，使用酸蒸汽溶解红砖内部的铁氧化物，为整块砖添加了一层由 PEDOT（一种导电聚合物）组成的纤维网。

用环氧树脂作为防水外壳，使超级电容器在水下运行，凝胶电解质可将循环稳定性提高到 10,000 次循环，电容保留率高达 90%。

▲ 在砖上沉积纳米纤维 PEDOT 涂层。

这项工作的灵感来自该团队近期发表的锈助气相聚合。赤铁矿所产生的化学反应为在烧结砖上开发尖端功能提供了机会，在烧结砖上，8wt% 的α-Fe2O3 含量和 3D 多孔微观结构为机械上坚固的电极设计提供了理想的基底。

在这里，团队开发了一种超级电容器，使用砖的赤铁矿微结构作为反应物，蒸汽沉积导电聚合物聚 (3,4 - 乙烯二氧噻吩)纳米纤维涂层 (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途径。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℃下通过其孔隙，以控制反相氧化自由基聚合导致的α-Fe2O3 溶解和 Fe3 + 水解。

纳米纤维 PEDOT 涂层砖的三电极表征。

以上演示了如何在普通砖的表面存储能量，使用α-Fe2O3 作为氧化剂前驱体来控制氧化自由基聚合，并从气相共形沉积电容性纳米纤维 PEDOT 涂层。砖的结构稳定性和开放的微观结构使得砖电极具有坚固的机械性能，当连接在一起并涂上环氧树脂时，可以产生稳定的固定式防水超级电容器模块。

这项超级电容器技术可以为这种 “十分便宜”的建筑材料增加价值，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。

Julio D'Arcy 是圣路易斯华盛顿大学的化学助理教授，他在加州大学洛杉矶分校获得化学博士学位，他的专长领域是共轭聚合物，电化学和薄膜复合设备，对能源应用特别感兴趣。

Julio D'Arcy 实验室的目标是发现和应用新型功能性纳米有机和无机材料，利用通用的合成化学协议来控制化学结构、纳米级形态和固有性质。

D'Arcy 研究小组致力于发展电化学能源存储技术，使智能电网成为可能，并为交通工具和电子设备提供强大的动力。设备测试使用电化学技术，如循环伏安法，恒电流充电 / 放电曲线，和电化学阻抗谱。

想象一下，一旦用 “砖”储电的设想实现，未来所有的房屋建筑都能自带砖头 “储电机”，也会是一项改变未来城市的重要研究。