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紅磚，俗稱 “板兒磚” “磚頭”，在我們的認知里，它只是一種燒結型建筑磚塊。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)?；斢秒娦枨筝^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，事實上，一塊紅磚 “配” 上導電聚合物，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)表在科學期刊《自然-通訊》（Nature Communications）上，王泓民為第一作者，他的導師、美國圣路易斯華盛頓大學助理教授胡里奧·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?，其他都是中國留學生。” 王泓民說。


根據論文的描述，研究人員利用磚的多孔結構，通過使用氣相沉積技術為紅磚添加一層名為 PEDOT 的導電聚合物，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，而且在電化學上也是惰性的。但是，王泓民及其團隊發(fā)現了一種在紅磚上誘導生長導電聚合物納米纖維的化學合成方法，從而使得儲能磚的想法成為可能。

在這一過程中，紅磚內的鐵銹對于誘發(fā)聚合反應十分關鍵，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原理上都可以被轉化并用來儲能。

“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反應物蒸汽中，并將其表面的氧化鐵轉化為了一種藍色的可以導電的塑料（一種導電高分子，具有電化學活性，可用于儲能）。當兩塊紅磚中間夾一層電解質時，這個 “三明治” 結構便可以儲存電荷，兩塊磚頭分別為這個裝置的正極和負極；當多塊磚頭堆疊在一起的時候，根據電路的不同，可以串聯或并聯，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，最終目標是將儲能磚融入到建筑當中，用于儲存就地收集的電能（比如，風能和太陽能），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，可與屋頂的太陽能或風能采集裝置耦合，用于儲存這些裝置產生的能量，從而讓整棟樓在陰天或者無風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量級，這項技術就可以被商業(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，“我目前是博四，還有一年就畢業(yè)了，正在國內外尋找攻讀博士后的機會。”

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

大學畢業(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的全獎博士。

“但博士期間的科研并非一帆風順，好在我的導師 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，他們的這項研究結合了建筑學和化學這兩個看似毫不相關的領域，除了科學上的意義，他也堅信這項研究能激發(fā)公眾對科學的興趣，及對身邊看似普通的物件和材料的創(chuàng)造性思維。

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