Cua có thể trở thành anh hùng mà ngành công nghiệp pin cần

Cua có thể trở thành anh hùng mà ngành công nghiệp pin cần

    Cua có thể trở thành anh hùng mà ngành công nghiệp pin cần
    Ai đó đã đặt mua pin Krabby?

    close up of crab

    Chitin và chitosan dẫn xuất của nó là các polyme tự nhiên được tìm thấy trong động vật giáp xác và các nơi khác trong tự nhiên.
    Các kỹ sư tại Đại học Maryland đã nghĩ ra cách làm cho pin làm từ kẽm bền hơn bằng cách kết hợp chitosan.
    Điều này có thể mở đường cho các giải pháp thay thế cho pin lithium-ion, loại pin đang ngày càng trở nên đắt đỏ, bên cạnh các vấn đề môi trường liên quan đến khai thác lithium.
    Thịt cua rất ngon — đó là một sự thật không có gì có thể có được, một loại thịt tuyệt đẹp. Nhưng đây là điều bạn có thể không biết về xu hướng thích ăn động vật giáp xác luộc: Hàng năm, khoảng sáu đến tám triệu tấn chất thải từ vỏ cua, tôm và tôm hùm được sản xuất trên toàn thế giới, với hầu hết chúng được đổ thẳng trở lại đại dương hoặc vào các bãi chôn lấp, tùy theo từng quốc gia.

    Vấn đề không phải là chất thải khổng lồ vứt sang một bên trên bàn ăn vì đó là cơ hội bị mất. Bộ xương ngoài cứng của cua và các loài ilk biển của chúng rất giàu các hóa chất hữu ích, linh hoạt như canxi cacbonat, có công dụng y học và công nghiệp, và chitin, polyme tự nhiên phong phú thứ hai được tìm thấy trên Trái đất.

    Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã khai thác chitin từ vỏ động vật giáp xác cho mọi thứ, từ kỹ thuật mô đến sản xuất nhựa phân hủy sinh học. Bởi vì nó và chitosan polyme chị em của nó được coi là thân thiện với môi trường và không độc hại, nên người ta quan tâm nhiều đến việc kết hợp các hợp chất hóa học này vào pin của mọi thứ.

    Trong một bài báo được xuất bản vào đầu tháng này trên tạp chí Matter, một nhóm kỹ sư tại Đại học Maryland đã làm điều đó, tạo ra một loại pin chitin-kẽm ấn tượng có thể phân hủy sinh học, nhưng vẫn giữ được lượng điện đáng kể. Khi thế giới hướng tới một tương lai bền vững hơn, hy vọng rằng một loại pin có thể sạc lại, có nguồn gốc từ sơ cua có thể là một giải pháp thay thế khả thi hoặc thậm chí là thay thế cho pin lithium-ion, vốn đang ngày càng gia tăng về nhu cầu (xin chào EVs!). Đồng thời, bản thân lithium cũng đang trở thành một nguồn tài nguyên khan hiếm.

    Mark MacLachlan, giáo sư về vật liệu siêu phân tử tại Đại học British Columbia, người không tham gia nghiên cứu, cho biết: “Đây là một ứng dụng thực sự thú vị của chitin, tận dụng khả năng tái tạo và khả năng liên kết với kẽm để tạo ra các vật liệu điện cực mới. , nói với Cơ học phổ biến trong một email.

    Tất cả những gì bạn cần là điện tử (và một số kim loại dẫn điện)
    Tia lửa điện bật lên là nhờ một số chất hóa học xảy ra sâu bên trong pin.

    Phản ứng hóa học được gọi là phản ứng oxy hóa khử tạo ra dòng điện chạy theo nhịp trống ổn định dưới dạng các electron chuyển động. Những chất này di chuyển qua một mạch điện bao gồm các điện cực của pin (được làm bằng hai kim loại dẫn điện khác nhau), chất điện phân hóa học của nó (một chất dạng gel hoặc chất lỏng có chứa các hạt mang điện được gọi là ion) và bất kỳ thiết bị hoặc dụng cụ nào mà pin được kết nối với.

    Có một lượng kim loại và chất điện phân lặt vặt được sử dụng trong pin. Ví dụ, trong pin kiềm gia dụng thông thường của bạn, điện cực dương (cực âm) được làm bằng oxit mangan và điện cực âm (hoặc cực dương) được làm bằng khoáng chất vi lượng kẽm. Chất điện phân ở giữa là kali hydroxit. Trong pin lithium-ion, lithium thường tương tác với một kim loại khác như coban ở cực âm và cacbon ở cực dương, đồng thời tạo nên chất điện phân.

    Pin Lithium-ion là ngôi sao đang nổi của thế giới năng lượng vì trọng lượng nhẹ nhưng vẫn chứa đầy năng lượng (và chúng có thể sạc lại để khởi động). Không có gì ngạc nhiên, những loại pin này đã được tìm thấy trong hầu hết các thiết bị điện tử và xe điện trong vài thập kỷ qua, nhưng việc khai thác lithium gây ra một khoản phí lớn và tàn phá môi trường. Không chỉ vậy, pin lithium-ion không dễ phân hủy hoặc tái chế, điều này không làm cho chúng hoàn toàn tương thích với tính bền vững — ít nhất là ở dạng hiện tại.

    “Pin có thể sạc lại như nguồn năng lượng xanh là điều cần thiết để giảm sự phụ thuộc của chúng ta vào nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên, với nhu cầu tăng cao về xe điện trong những năm gần đây, số lượng lớn pin đang được sản xuất và tiêu thụ, làm tăng khả năng xảy ra các vấn đề môi trường, ”Meiling Wu, tác giả đầu tiên của nghiên cứu mới và là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Maryland, cho biết trong một email đến Cơ học phổ biến. “Ví dụ, bộ phân tách bằng polypropylene và polycarbonate, được sử dụng rộng rãi trong pin Li-ion, phải mất hàng trăm hoặc hàng nghìn năm để phân hủy và tạo thêm gánh nặng cho môi trường.”

    Cua để giải cứu

    crab
    Trong những năm qua, các nhà khoa học đã đùa giỡn với chitin, tìm cách kết hợp chất hữu cơ - có cấu trúc tương tự như xenlulo trong thực vật - vào pin. Vào năm 2016, MacLachlan và phòng thí nghiệm của ông tại Đại học British Columbia đã phát hiện ra rằng khi bạn nấu chín chitin với nitơ ở nhiệt độ cao tới 1.652 độ Fahre

    nheit, nó biến vỏ cua trước đây thành vật liệu carbon-nitơ thích hợp cho các điện cực.

    Nhưng Wu và các đồng nghiệp của cô tại Đại học Maryland đã đi theo một cách tiếp cận khác. Họ tập trung vào pin làm từ kẽm, loại pin dùng một lần phổ biến nhưng không thể sạc lại được. Vì khoáng chất này sẵn có hơn so với lithium (đọc là: rẻ hơn để sản xuất và cung cấp) và ít độc hại hơn (pin kẽm sử dụng nước làm chất điện phân), nên nhiều người quan tâm đến kẽm như hiệp sĩ năng lượng trắng bạc của chúng tôi.

    Tuy nhiên, việc đổi lithium lấy kẽm sẽ không thuận buồm xuôi gió. Trong pin như một điện cực, kẽm có xu hướng khó chịu là hình thành các bất thường trên bề mặt của nó. Những bất thường này hình thành khi các electron di chuyển qua và bong bóng thành những va chạm nhỏ khiến quả cầu tuyết trở thành những hạt lớn hơn và lớn hơn được gọi là đuôi gai, làm gián đoạn dòng điện của pin.

    Vì chitosan, một dẫn xuất đã được xử lý hóa học của chitin, tương tác tốt với nước và có thể giữ nó không trôi nổi trên những ngọn đồi, Wu và các đồng nghiệp của cô ấy tin rằng họ có thể sử dụng nó để tạo ra một bộ tách pin — một màng bán thấm giữ các điện cực tích điện trái dấu cách xa nhau — điều đó cũng có thể phân hủy sinh học.

    Vì vậy, làm thế nào họ làm điều đó? Các nhà nghiên cứu lấy một màng chitosan có kích thước bằng đồng xu và ngâm nó trong dung dịch chứa kẽm để khoáng chất này bám vào màng. Tiếp theo, họ kéo màng chitosan-kẽm ra, và ép chặt để đóng gói dày đặc. Không giống như những nỗ lực trước đây để làm cô đặc màng chitosan, kỹ thuật này cho phép tạo ra các lỗ xốp tương đối lớn (kích thước lên đến 5 micromet), cho phép chuyển động tự do của các ion, Jodie Lutkenhaus, giáo sư kỹ thuật hóa học tại Đại học Texas A&M, người không tham gia vào nghiên cứu này , nói với Cơ học phổ biến.

    Lutkenhaus, người đã thực hiện nghiên cứu về pin có nguồn gốc hữu cơ, cho biết: “Đây là chìa khóa quan trọng bởi vì khi bạn nghĩ về một lớp vỏ của loài giáp xác, bạn sẽ nghĩ nó thực sự cứng và dày đặc và điều đó không tốt cho việc dẫn các ion”.

    Zalo
    Hotline