中年|26岁南京科学家发明“储能砖”！板砖嵌入导电聚合物，墙壁变电池为建筑供电

红砖，俗称 “板儿砖” “砖头” ，在我们的认知里，它只是一种烧结型建筑砖块。红砖既有一定的强度和耐久性，也因多孔而具有一定的保温绝热、隔音等特点，配上钢筋、混凝土，非常适合做建筑墙体材料。
但是，在 26 岁的博四学生王泓民看来，红砖还有另外一个用途——储能，他将其称为 “储能砖” 。
“相比于传统的储电装置，储能砖最大的优势是可规模化，当用电需求较小时就堆一面小墙用于储能，需求大时也可以将整栋建筑都用来储能，而传统的储电装置很难做到这一点。 ” 王泓民告诉 DeepTech 。
同时，他还表示，作为一种建筑材料，红砖本身也不会占用其他多余的空间。
王泓民所说的储能砖并非空穴来风，事实上，一块红砖 “配” 上导电聚合物，可储存的电量确实可以让一个发光二极管（LED）亮起来，且可充放电次数高达 10,000 次。此外，在 -20 °C 至 60 °C 的环境下还可以防水。

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图｜经特殊处理的红砖为发光二极管供电（来源：Nature Communications）
这一最新研究成果以论文的形式发表在科学期刊《自然-通讯》（Nature Communications）上，王泓民为第一作者，他的导师、美国圣路易斯华盛顿大学助理教授胡里奥·达西（Julio D’Arcy）为通讯作者。 “这个团队里，除了 D‘Arcy 教授和我带的本科生，其他都是中国留学生。 ”王泓民说。

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（来源：Nature Communications）
根据论文的描述，研究人员利用砖的多孔结构，通过使用气相沉积技术为红砖添加一层名为 PEDOT 的导电聚合物，从而把红砖变成一个储能电极。充电后的储能砖可以作为超级电容器像传统电池一样储存电能，并随时为其他装置供电，由储能砖砌成的墙可以储存大量电能。
研究人员表示，这项工作或许可以为具有储电功能的多用途增值建筑材料的开发带来启示。
灵感来自红砖房
“那一天，当我看到一栋漂亮的红砖房时，我的脑子里立刻闪过了这样一个想法：既然房子是由这么多堆叠的红砖砌成的，就像堆叠的电极一样，它们可不可以用来储存电能呢？”
正是源于这样一个想法，王泓民在博士期间开始了储能砖的研究。
一般来说，红砖是不可能储存电能的，因为它是绝缘的，而且在电化学上也是惰性的。但是，王泓民及其团队发现了一种在红砖上诱导生长导电聚合物纳米纤维的化学合成方法，从而使得储能砖的想法成为可能。
在这一过程中，红砖内的铁锈对于诱发聚合反应十分关键，而铁锈在自然界中十分常见，在腐蚀的金属器具、红色的土壤、红色染料、微生物和红砖中都有分布，任何含有氧化铁的物质原理上都可以被转化并用来储能。
“除了红砖，我们还尝试了混凝土，只要在混凝土表面掺入薄薄一层常见的红色颜料（主要成分为氧化铁），混凝土也可以被反应并创造出储能混凝土。 ”王泓民说。
为了让红砖 “变身” 储能砖，他们将红砖放在了化学反应物蒸汽中，并将其表面的氧化铁转化为了一种蓝色的可以导电的塑料（一种导电高分子，具有电化学活性，可用于储能）。当两块红砖中间夹一层电解质时，这个 “三明治” 结构便可以储存电荷，两块砖头分别为这个装置的正极和负极；当多块砖头堆叠在一起的时候，根据电路的不同，可以串联或并联，从而为电器供电。

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图｜将红砖表面的氧化铁转化为一种蓝色可导电塑料（来源：Nature Communications）
王泓民表示，这一研究的初衷是希望提供一个大规模储能的可能性，最终目标是将储能砖融入到建筑当中，用于储存就地收集的电能（比如，风能和太阳能），并为建筑本身供电，从而提高能源使用效率。
如果储能砖被融合进建筑物中，可与屋顶的太阳能或风能采集装置耦合，用于储存这些装置产生的能量，从而让整栋楼在阴天或者无风的天气也能用上可再生能源。
更大胆的畅想是，既然这一技术有潜力将一整栋建筑物变为一个储能元件，那么如果更多功能化的建筑材料受这一研究的启发而被开发出来，这将赋予建筑物更多电子元件的功能。届时，一整座城市便可像一个巨大的电脑主板，每一栋建筑物都是一个独立的电子元件，相互连接，而又各司其职。
尽管十分看好储能砖技术的商业化前景，但王泓民也表示，目前这一工作还只是处于概念证明的研究阶段，单块储能砖可以储存的能量有限，目前使用的导电聚合物也比较贵，他们也并不是十分清楚潜在的市场规模有多大。不过，他们正在尝试通过使用其他材料为红砖提供更大的能量密度。
“一旦储能密度提升一个数量级，这项技术就可以被商业化。 ” 王泓民说。
在科研中 “放飞自我”
王泓民出身于南京，目前就读于美国圣路易斯华盛顿大学， “我目前是博四，还有一年就毕业了，正在国内外寻找攻读博士后的机会。 ”
从高中开始，他就对化学产生了浓厚的兴趣，尤其是在创造新物质、新材料方面。在高二时，他就自学了大学的化学课程，并获得了全国高中生化学竞赛江苏赛区二等奖。高中时期储备的大学知识，让王泓民在进入武汉大学化学与分子科学学院后可以轻松处理本科学业，并且腾出大量的课余时间和精力用于业余科研。整个大学期间，他的平均学分绩点（GPA）高达 3.8/4.0 。
大学毕业时，他以第一作者身份发表了两篇综述，并且以第二作者身份发表了一篇科研论文，这些成果帮助他申请到了美国圣路易斯华盛顿大学的全奖博士。
“但博士期间的科研并非一帆风顺，好在我的导师 D‘Arcy 为实验室创造了十分宽松的研究氛围，甚至没有要求在特定的时间去实验室。 ”王泓民说。
没有了时间上的限制，王泓民在科研上便开始 “放飞自我” 。他经常在凌晨三四点时还在做电镜实验，然后回家睡到第二天中午再来实验室， “因为晚上七点之后电镜上机费用有折扣”；周末有了灵感便整日泡在实验室，而如果工作日 “思维枯竭”、需要换换脑子时，就不去实验室。

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图｜王泓民的实验室（来源：王泓民）
“放养式的实验室环境，使我的思维得以解放，并在读博期间大胆尝试了自己提出的四五十个想法，虽然大部分想法都失败了，最终产出的成果也只有四五篇论文，但每篇论文都以非常高的创新性被选为当期杂志的封面论文。 ” 王泓民说。
采访的最后，王泓民表示，他们的这项研究结合了建筑学和化学这两个看似毫不相关的领域，除了科学上的意义，他也坚信这项研究能激发公众对科学的兴趣，及对身边看似普通的物件和材料的创造性思维。
【来源：DeepTech深科技】
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