Backsteine als Akkus

Eines der ältesten bekannten Baumaterialien neu entdeckt

Ziegelsteine gehören zu den billigsten und bekanntesten Baumaterialien weltweit. Damit ist ihr Potenzial allerdings längst nicht erschöpft, sagen Forscher um Julio D’Arcy von der Washington University in St. Louis. Einer Medienmitteilung zufolge haben sie eine Methode entwickelt, um “intelligente Ziegelsteine” herzustellen oder zu modifizieren, die Energie speichern können, bis sie für den Antrieb von Geräten benötigt wird. Ein Proof-of-Concept, der bereits am 11.08.2020 in Nature Communications (s.u.) veröffentlicht wurde, zeigt einen Ziegelstein, der ein grünes LED-Licht direkt mit Strom versorgt.

Rote Ziegelsteine können in Energiespeichereinheiten umgewandelt werden, die wie Batterien aufgeladen werden können, um Strom zu speichern. Das Team von Ingenieuren und Chemikern hat einen gewöhnlichen Hausziegel in eine Pseudo-Batterie umgewandelt, so dass er Elektrizität leiten und speichern konnte. Die Ziegelsteine sind leistungsstark genug, um eine LED-Glühbirne zu beleuchten, und ihre Herstellung kostet nur etwa zweieinhalb Euro.

Julio D’Arcy ist Assistenzprofessor für Chemie an der Washington University und einer der Forscher an diesem Projekt. Die Ziegel-Batterie basiert auf dem rötlichen Pigment, das als Eisenoxid oder Rost bekannt ist und roten Ziegeln ihre Farbe verleiht. Die Wissenschaftler pumpten die Ziegel mit verschiedenen Gasen auf, die mit Eisenoxid (Rost) reagieren, um ein Netzwerk von Kunststofffasern zu erzeugen. Diese mikroskopisch kleinen Fasern umhüllen die leeren Räume im Inneren der Ziegel – und leiten Elektrizität.

“Unsere Methode funktioniert mit normalen oder recycelten Ziegelsteinen, und wir können auch unsere eigenen Ziegelsteine herstellen”, sagt D’Arcy. “Tatsächlich stammt die Arbeit, die wir in Nature Communications veröffentlicht haben, von Bausteinen, die wir im Baumarkt hier in Brentwood (Missouri) gekauft haben; jeder Baustein kostete 65 Cent.”Mauern und Gebäude aus Ziegelsteinen nehmen bereits viel Platz ein, der besser genutzt werden könnte, wenn man ihm einen zusätzlichen Zweck für die elektrische Speicherung geben würde. Während einige Architekten und Designer die Fähigkeit des bescheidenen Ziegels erkannt haben, die Sonnenwärme zu absorbieren und zu speichern, ist dies das erste Mal, dass jemand versucht hat, Ziegel anders denn als thermische Masse zum Heizen und Kühlen zu verwenden.

D’Arcy und Kollegen, darunter auch der Student Hongmin Wang von der Washington University, Erstautor der neuen Studie, zeigten, wie rote Ziegel in eine Art Superkondensatoren umgewandelt werden können. “In dieser Arbeit haben wir eine Beschichtung aus dem leitenden Polymer Poly-3,4-ethylendioxythiophen, PEDOT, entwickelt, das aus Nanofasern besteht, die in das innere poröse Netzwerk eines Ziegels eindringen; eine Polymerbeschichtung bleibt in einem Ziegel eingeschlossen und dient als Ionenschwamm, der Elektrizität speichert und leitet”, sagte D’Arcy. Das rote Pigment in Ziegelsteinen – Eisenoxid oder Rost – ist wesentlich für die Auslösung der Polymerisationsreaktion. Die Berechnungen der Autoren deuten darauf hin, dass Wände aus diesen energiespeichernden Ziegeln eine beträchtliche Menge an Energie speichern könnten.

Abstract aus Nature Communications: Gebrannter Ziegelstein, der typischerweise für den Bau und die architektonische Ästhetik verwendet wird, ist eines der haltbarsten Materialien mit einer 5000-jährigen Geschichte, die bis ins neolithische China zurückreicht. Er ist ein universeller, in uralten Verfahren hergestellter Baustoff, der im Laufe der Geschichte selten einem anderen Zweck gedient hat. Hier entwickeln wir eine skalierbare, kostengünstige und vielseitige chemische Synthese unter Verwendung eines gebrannten Ziegels, um die oxidative Radikal-Polymerisation und die Abscheidung einer nanofibrillenförmigen Beschichtung des leitenden Polymers Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) zu steuern. Die offene Mikrostruktur eines gebrannten Ziegels, die mechanische Robustheit und der Gehalt von ~8 Gew.-% ?-Fe2O3 bieten ein ideales Substrat für die Entwicklung elektrochemischer PEDOT-Elektroden und stationärer Superkondensatoren, die sich leicht zu Modulen stapeln lassen. Fünf-Minuten-Epoxid dient als wasserdichtes Gehäuse, das den Betrieb unserer Superkondensatoren unter Wasser ermöglicht, und ein Gel-Elektrolyt verlängert die Zyklenstabilität auf 10.000 Zyklen mit ~90% Kapazitätserhalt.
Der Mauerwerksbaustein kommt häufig in verschiedenen Rottönen vor und besteht meist aus geschmolzenen Partikeln von Siliciumdioxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3) und Hämatit (?-Fe2O3). Die rote Farbe eines Ziegels stammt von Hämatit, einem Pigment, das vor 73.000 Jahren zum ersten Mal vom Menschen verwendet wurde und heute als kostengünstiger, natürlich reichlich vorhandener anorganischer Vorläufer für Katalysatoren, Magnete und Legierungen dient. Modernste Energiespeichermaterialien werden ebenfalls aus Hämatit hergestellt. Zum Beispiel werden FeNx, FeP und Li5FeO4 über anionischen oder kationischen Austausch für Kalium-Ionen-Batterien, Zn-Luft-Batterien, Pseudokondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien synthetisiert; die elektrochemische Umwandlung von Hämatit führt zu FeOOH-Superkondensatoranoden.
Diese Arbeit ist durch unsere kürzlich veröffentlichte rostunterstützte Dampfphasenpolymerisation inspiriert. Chemikalien, die durch Hämatit ermöglicht werden, bieten die Möglichkeit zur Entwicklung modernster Funktionalitäten auf einem gebrannten Ziegel, bei dem ein Gehalt von 8 Gew.-% ?-Fe2O3 und eine poröse 3D-Mikrostruktur ein ideales Substrat für die Konstruktion einer mechanisch robusten Elektrode bieten. Hier entwickeln wir einen Superkondensator unter Verwendung der Hämatit-Mikrostruktur eines Ziegels als Reaktant für die Dampfabscheidung einer nanofibrillären Beschichtung aus dem leitenden Polymer Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT). Die Dampfphasensynthese führt zu PEDOT-Beschichtungen, die eine hohe elektronische Leitfähigkeit und einen leichten Ladungstransfer aufweisen, was sie zu einem idealen Weg für die Herstellung von Elektroden macht. Diese Synthese nutzt die offene Mikrostruktur und die thermische Stabilität eines Ziegels, um Säure- und Monomerdampf durch seine Poren bei 160 °C zu permeieren, um die Auflösung von ?-Fe2O3 und die Fe3+-Hydrolyse mit gleichzeitiger oxidativer Radikalpolymerisation zu steuern.

Abscheidung einer nanofibrillenförmigen PEDOT-Beschichtung auf Ziegelstein:
a) In einer einstufigen Reaktion wird die ?-Fe2O3-Mikrostruktur eines Ziegels teilweise durch sauren Dampf gelöst, um Fe3+ freizusetzen, die Hydrolyse und Ausfällung von FeOOH-Spindeln zu fördern, welche die oxidative Radikal-Polymerisation steuern. Wie bereits früher berichtet, reagiert Monomerdampf mit teilweise gelösten FeOOH-Kernen, was zu einem bevorzugten gerichteten Wachstum von PEDOT-Nanofasern mit hohem Aspektverhältnis führt.
b) Die Dicke einer PEDOT-Beschichtung wird durch die Reaktionszeit und die Stöchiometrie gesteuert, wodurch eine Reaktion zur Erzeugung von oberflächenpolymerisierten PEDOT-beschichteten Ziegeln (Kern/Schale-Architektur) oder vollständig polymerisierten Ziegeln (monolithische PEDOT-Architektur) ermöglicht wird.
c) Ein Reaktionsdiagramm zeigt die Konkurrenz zwischen säurekatalysierter Polymerisation und den in unseren Reaktionen vorha
ndenen Mechanismen der oxidativen Radikalpolymerisation
Grafik © nature.com_020-17708-1

Das Eisenoxid oder Rost in den Ziegeln ist wesentlich für die Auslösung der Polymerisationsreaktion. Die Berechnungen der Autoren deuten darauf hin, dass Wände aus diesen energiespeichernden Ziegeln eine beträchtliche Menge an Energie speichern könnten. “PEDOT-beschichtete Ziegel sind ideale Bausteine, die Strom für die Notbeleuchtung liefern können”, sagte D’Arcy. “Wir stellen uns vor, dass dies Realität werden könnte, wenn Sie unsere Ziegel mit Solarzellen verbinden – dazu könnten 50 Ziegel in unmittelbarer Nähe der Last verwendet werden. Mit diesen 50 Bausteinen könnte die Notbeleuchtung fünf Stunden lang mit Strom versorgt werden.

“Vorteilhaft ist, dass eine Ziegelwand, die als Superkondensator dient, innerhalb einer Stunde hunderttausende Male wieder aufgeladen werden kann. Wenn man ein paar Backsteine miteinander verbindet, könnten mikroelektronische Sensoren problemlos mit Strom versorgt werden.Künftig, so D’Arcy, könnte eine Ziegelwand potenziell einen doppelten Zweck erfüllen: strukturelle Unterstützung und Speicherung von Strom aus Erneuerbaren Energiequellen, wie z.B. Sonnenkollektoren. Die Technologie ist noch ein paar Jahre von der Marktreife entfernt. Im Moment ist die Energiespeicherkapazität der Ziegelsteine nämlich noch ziemlich gering – etwa 1 Prozent einer Lithium-Ionen-Batterie. Mit Blick auf die Zukunft wird das Team weiter daran arbeiten, die Energiedichte zu verbessern, um die Mikrosuperkondensatoren wettbewerbsfähiger gegenüber Batterien zu machen und gleichzeitig eine hohe Leitfähigkeit und elektrochemische Stabilität beizubehalten. Aber das Team testet jetzt Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistung der Bausteine. Denn es sieht so aus, als könnte man alten Bausteinen neue Tricks beibringen.

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