【材料科技】什麼！這樣也可以發電？

■發電的方式百百種，但你有想過把某種物質浸入溶液中再抽出就可以發電嗎？近來科學家就發現將石墨烯(graphene)浸入氯化鈉溶液再抽出即可以產生電能。

作者｜方程毅

石墨烯為單層碳原子形成的六角狀二維結構，事實上即是單層或數層的石墨碳原子(graphite)。理論上石墨烯有極佳的導電率及熱導率，但石墨烯在過往被視為只存在於理論中的材料，現實生活中不可能存在。然而，就在2004年，英國曼徹斯特大學(University of Manchester)物理學家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)發現將膠帶貼在石墨上再撕下，並重複數次即可製備出石墨烯，這個簡單卻又極具創意的方法讓他們兩人共同獲得2010諾貝爾物理獎。自此之後又有來自世界各地不同的研究團隊研發出各種製備石墨烯的方法，例如：將石墨烯氧化物還原、切割奈米碳管或是在金屬表面生長等等。由於關於石墨烯的理論研究早已發展許久，因此當石墨烯真正被製備出來後，馬上便吸引了全球的目光，舉凡電晶體、太陽能電池、生物檢測乃至氣體檢測等等都能見到石墨烯的蹤影。

2014年南京大學的研究團隊便將石墨烯鋪在聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，簡稱PET)基板上，利用銀膠(silver emulsion)作為電極，再利用矽氧樹脂(即俗稱的矽利康, silicone)作為外圍的封裝保護層製作一發電元件。將這個元件重複浸入及抽出氯化鈉溶液，在浸入及抽出的過程中便會產生電壓。這項研究成果被發表在2014《自然-通訊》期刊(Nature Communications)。這個簡單又有趣的成果並未在以往任何文獻或研究中出現過，因此也暫時找不出一個完整的理論來說明這個現象。此研究團隊提出的解釋方法為當石墨烯元件進入液體中時會在元件表面形成”電雙層”(electric double layer (EDL)，電雙層為分布在固液介面上的正離子層及負離子層(故名為雙層))。在這個實驗中元件表面會先吸附一層帶正電的鈉離子，接著為了保持固液介面的電中性必須再吸附一層帶負電的氯離子，但由於氯離子移動速度跟不上鈉離子吸附於石墨烯表面的速度，因此在插入的過程中便會先將石墨烯內部的負電荷拉到固液介面以保持固液介面的電中性，同時也使石墨烯內部累積正電荷(電洞)。當溶液中的氯離子漸漸開始靠近鈉離子並形成完整電雙層之後，被拉到固液介面的電子也會再回到石墨烯內部，這個過程即為電壓的來源。一個2cm*10cm的元件，重複浸入及抽出0.6M的氯化鈉溶液，在最快速率為3.1cm/s的狀況下可以產生最高3.3mV的電壓。且電壓大小與石墨烯的面積成正比，因此這項技術在將來可以藉由加大石墨烯元件增加電壓的發展潛力。不僅如此他們也嘗試各種不同的溶液，包括氯化鋰(LiCl)、氯化鉀(KCl)及鹽酸(HCl)等等，浸入抽出的速度與產生的電壓也各有不同。

為了應證這個電壓確實存在，他們也將這個電流輸出刺激青蛙的坐骨神經(sciatic nerve)，並成功使青蛙的腓腸肌(gastrocnemius)收縮。雖然他們宣稱加大元件面積會讓這技術具有發展潛力，但目前學界尚難以製備大面積的石墨稀，距離應用端其實還有不小的距離，不過任何新研究總是宣稱他們很有發展性，最後誰能真的運用到現實世界呢？Who knows?

References
Jun Yin. et al. “Waving potential in graphene” Nature Communications 5, doi:10.1038/ncomms4582
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作者：方程毅 科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。
責任編輯：Kerina Huang