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紅磚，俗稱 “板兒磚” “磚頭”，在我們的認(rèn)知里，它只是一種燒結(jié)型建筑磚塊。紅磚既有一定的強度和耐久性，也因多孔而具有一定的保溫絕熱、隔音等特點，配上鋼筋、混凝土，非常適合做建筑墻體材料。

但是，在 26 歲的博四學(xué)生王泓民看來，紅磚還有另外一個用途——儲能，他將其稱為 “儲能磚”。

“相比于傳統(tǒng)的儲電裝置，儲能磚最大的優(yōu)勢是可規(guī)模化，當(dāng)用電需求較小時就堆一面小墻用于儲能，需求大時也可以將整棟建筑都用來儲能，而傳統(tǒng)的儲電裝置很難做到這一點。” 王泓民告訴 DeepTech。

同時，他還表示，作為一種建筑材料，紅磚本身也不會占用其他多余的空間。

王泓民所說的儲能磚并非空穴來風(fēng)，事實上，一塊紅磚 “配” 上導(dǎo)電聚合物，可儲存的電量確實可以讓一個發(fā)光二極管（LED）亮起來，且可充放電次數(shù)高達 10,000 次。此外，在 -20 °C 至 60 °C 的環(huán)境下還可以防水。


這一最新研究成果以論文的形式發(fā)表在科學(xué)期刊《自然-通訊》（Nature Communications）上，王泓民為第一作者，他的導(dǎo)師、美國圣路易斯華盛頓大學(xué)助理教授胡里奧·達西（Julio D’Arcy）為通訊作者。“這個團隊里，除了 D‘Arcy 教授和我?guī)У谋究粕?，其他都是中國留學(xué)生。” 王泓民說。


根據(jù)論文的描述，研究人員利用磚的多孔結(jié)構(gòu)，通過使用氣相沉積技術(shù)為紅磚添加一層名為 PEDOT 的導(dǎo)電聚合物，從而把紅磚變成一個儲能電極。充電后的儲能磚可以作為超級電容器像傳統(tǒng)電池一樣儲存電能，并隨時為其他裝置供電，由儲能磚砌成的墻可以儲存大量電能。

研究人員表示，這項工作或許可以為具有儲電功能的多用途增值建筑材料的開發(fā)帶來啟示。

靈感來自紅磚房

“那一天，當(dāng)我看到一棟漂亮的紅磚房時，我的腦子里立刻閃過了這樣一個想法：既然房子是由這么多堆疊的紅磚砌成的，就像堆疊的電極一樣，它們可不可以用來儲存電能呢？”

正是源于這樣一個想法，王泓民在博士期間開始了儲能磚的研究。

一般來說，紅磚是不可能儲存電能的，因為它是絕緣的，而且在電化學(xué)上也是惰性的。但是，王泓民及其團隊發(fā)現(xiàn)了一種在紅磚上誘導(dǎo)生長導(dǎo)電聚合物納米纖維的化學(xué)合成方法，從而使得儲能磚的想法成為可能。

在這一過程中，紅磚內(nèi)的鐵銹對于誘發(fā)聚合反應(yīng)十分關(guān)鍵，而鐵銹在自然界中十分常見，在腐蝕的金屬器具、紅色的土壤、紅色染料、微生物和紅磚中都有分布，任何含有氧化鐵的物質(zhì)原理上都可以被轉(zhuǎn)化并用來儲能。

“除了紅磚，我們還嘗試了混凝土，只要在混凝土表面摻入薄薄一層常見的紅色顏料（主要成分為氧化鐵），混凝土也可以被反應(yīng)并創(chuàng)造出儲能混凝土。” 王泓民說。

為了讓紅磚 “變身” 儲能磚，他們將紅磚放在了化學(xué)反應(yīng)物蒸汽中，并將其表面的氧化鐵轉(zhuǎn)化為了一種藍(lán)色的可以導(dǎo)電的塑料（一種導(dǎo)電高分子，具有電化學(xué)活性，可用于儲能）。當(dāng)兩塊紅磚中間夾一層電解質(zhì)時，這個 “三明治” 結(jié)構(gòu)便可以儲存電荷，兩塊磚頭分別為這個裝置的正極和負(fù)極；當(dāng)多塊磚頭堆疊在一起的時候，根據(jù)電路的不同，可以串聯(lián)或并聯(lián)，從而為電器供電。


王泓民表示，這一研究的初衷是希望提供一個大規(guī)模儲能的可能性，最終目標(biāo)是將儲能磚融入到建筑當(dāng)中，用于儲存就地收集的電能（比如，風(fēng)能和太陽能），并為建筑本身供電，從而提高能源使用效率。

如果儲能磚被融合進建筑物中，可與屋頂?shù)?a href="http://m.kuainv.com.cn/news/search.php?kw=%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD">太陽能或風(fēng)能采集裝置耦合，用于儲存這些裝置產(chǎn)生的能量，從而讓整棟樓在陰天或者無風(fēng)的天氣也能用上可再生能源。

更大膽的暢想是，既然這一技術(shù)有潛力將一整棟建筑物變?yōu)橐粋€儲能元件，那么如果更多功能化的建筑材料受這一研究的啟發(fā)而被開發(fā)出來，這將賦予建筑物更多電子元件的功能。屆時，一整座城市便可像一個巨大的電腦主板，每一棟建筑物都是一個獨立的電子元件，相互連接，而又各司其職。

盡管十分看好儲能磚技術(shù)的商業(yè)化前景，但王泓民也表示，目前這一工作還只是處于概念證明的研究階段，單塊儲能磚可以儲存的能量有限，目前使用的導(dǎo)電聚合物也比較貴，他們也并不是十分清楚潛在的市場規(guī)模有多大。不過，他們正在嘗試通過使用其他材料為紅磚提供更大的能量密度。

“一旦儲能密度提升一個數(shù)量級，這項技術(shù)就可以被商業(yè)化。” 王泓民說。

在科研中 “放飛自我”

王泓民出身于南京，目前就讀于美國圣路易斯華盛頓大學(xué)，“我目前是博四，還有一年就畢業(yè)了，正在國內(nèi)外尋找攻讀博士后的機會。”

從高中開始，他就對化學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，尤其是在創(chuàng)造新物質(zhì)、新材料方面。在高二時，他就自學(xué)了大學(xué)的化學(xué)課程，并獲得了全國高中生化學(xué)競賽江蘇賽區(qū)二等獎。高中時期儲備的大學(xué)知識，讓王泓民在進入武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院后可以輕松處理本科學(xué)業(yè)，并且騰出大量的課余時間和精力用于業(yè)余科研。整個大學(xué)期間，他的平均學(xué)分績點（GPA）高達 3.8/4.0。

大學(xué)畢業(yè)時，他以第一作者身份發(fā)表了兩篇綜述，并且以第二作者身份發(fā)表了一篇科研論文，這些成果幫助他申請到了美國圣路易斯華盛頓大學(xué)的全獎博士。

“但博士期間的科研并非一帆風(fēng)順，好在我的導(dǎo)師 D‘Arcy 為實驗室創(chuàng)造了十分寬松的研究氛圍，甚至沒有要求在特定的時間去實驗室。”王泓民說。

沒有了時間上的限制，王泓民在科研上便開始 “放飛自我”。他經(jīng)常在凌晨三四點時還在做電鏡實驗，然后回家睡到第二天中午再來實驗室，“因為晚上七點之后電鏡上機費用有折扣”；周末有了靈感便整日泡在實驗室，而如果工作日 “思維枯竭”、需要換換腦子時，就不去實驗室。

“放養(yǎng)式的實驗室環(huán)境，使我的思維得以解放，并在讀博期間大膽嘗試了自己提出的四五十個想法，雖然大部分想法都失敗了，最終產(chǎn)出的成果也只有四五篇論文，但每篇論文都以非常高的創(chuàng)新性被選為當(dāng)期雜志的封面論文。” 王泓民說。

采訪的最后，王泓民表示，他們的這項研究結(jié)合了建筑學(xué)和化學(xué)這兩個看似毫不相關(guān)的領(lǐng)域，除了科學(xué)上的意義，他也堅信這項研究能激發(fā)公眾對科學(xué)的興趣，及對身邊看似普通的物件和材料的創(chuàng)造性思維。

原標(biāo)題：26歲南京科學(xué)家發(fā)明儲能磚！嵌入導(dǎo)電聚合物，墻壁可為建筑供電