Only Perception: 零維電晶體收成水電解期間被浪費掉的氣泡能量

2013-11-27

零維電晶體收成水電解期間被浪費掉的氣泡能量

Zero-dimensional transistor harvests bubble energy wasted during water electrolysis
http://phys.org/news/2013-08-zero-dimensional-transistor-harvests-energy-electrolysis.html

By Lisa Zyga, Aug 13, 2013

(Phys.org) -- 在電解期間，當氫從水中產生時，某些能量會喪失，成為微小的氣泡。在一項新研究中，研究者證明 25 nm 的電晶體 -- 如此渺小，以至於它們被視為零維（0D）-- 可將這些喪失掉的能量轉換成電脈衝。數百萬個這種 0D 電晶體可用來偵測個別氣泡並以一種最佳化的效率產生電脈衝，蒐集電解期間損耗掉的能量，以供他用。

研究者，位於法國 Villeneuve d'Ascq，CNRS 的 Nicolas Clement 與其共同作者們，將他們「利用 0D 電晶體自氣泡中收成能量」的論文發表在最近一期的 Nano Letters 上。

身為製造氫燃料最有前途的方法之一，電解（electrolysis）涉及在水中施加一電流，將水分離成氫與氧原子。在電解期間，氣泡會形成，導致某些能量喪失。

"在電解期間所有能量喪失的機制並未完全被理解，" Clement 表示。"此等裝置與一部高精確度相機結合，也許能改善未來的了解。能量損耗的來源不是氫在水中的擴散，就是泡泡在排放期間，抗衡離子（counterions）繞行電極的運動。"

為了證明 0D 電晶體如何能恢復一些這種能量，研究者將 0.2 μL（microliter，微升）的鹽水滴置於一部微型恆溫槽（microbath）中。其下，他們放置一個電晶體與二個電極。施加一電壓後，相對小型的氫氣泡泡（18-24-?m，譯註，可能是μm）從陰極處冒出，而相對大型的氯氣泡則從陽極冒出。增加電壓會導致發泡頻率增加。

0D 電晶體能用來偵測個別氣泡，且氣泡尺寸可藉由分析電流中的變化來評估。藉由偵測這些氣泡，電晶體能將氣泡能量轉換為電脈衝。理論上，2 百萬個 0D 電晶體能符合 microbath 所需，那達到 500 ?W（譯註，應是 μW，微瓦）的脈衝功率（pulse power）以及約 99% 脈衝功率效率。

"這裡有三大創新（novelty），" Clement 說。"首先，我們在液體中使用 0D 電晶體，在此之前，研究者先前都聚焦在 2D 或 1D 電晶體（例如：奈米導線）。" 其次，我們證明我們能以電氣方式偵測單一氣泡，那對於電化學理解與優化電化學過程十分重要。第三，我們證明，我們能匯集喪失的能量，在最佳化的效率下產生電脈衝。歷史上，某些研究者曾使用某種旋轉儀器（能找到數項專利），試圖在氫產生期間蒐集部份喪失掉的能量。在此，我們提出一種新方法。"

能偵測微小氣泡並將之轉換成電脈衝的能力，可有不同應用，例如：用於氫儲存的實驗室晶片裝置。另一種潛在應用是「生理學」，因為其電氣訊號的振幅與神經元的動作電位（action potential）類似。在此，這個系統能被當成一種人造動作電位產生器使用，以進行振幅與頻率皆可調整的局部神經元刺激。

在未來，研究者計畫以 0D 電晶體展示其他應用，並更了解它們在液體中的行為。

※ 相關報導：

＊ Water Electrolysis and Energy Harvesting with Zero-Dimensional Ion-Sensitive Field-Effect Transistors
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl4019879

N. Clement, K. Nishiguchi, J. F. Dufreche, D. Guerin,
A. Fujiwara, and D. Vuillaume.
Nano Lett., 2013, 13 (8), pp 3903–3908
doi: 10.1021/nl4019879

....Here, we used zero-dimensional (0D) ion-sensitive field-effect transistors (ISFETs) buried under a microbath to detect the emission of individual bubbles electrically and to generate statistics on the bubble emission time. The bubble size was evaluated via a simple model of the electrolytic current. We suggest that energy lost during water electrolysis could be used to generate electric pulses at an optimal efficiency with an array of 0D ISFETs.