Amerikaanse scheikundigen hebben een manier gevonden om roest nuttig te gebruiken: door zout water over dunne laagjes roestig ijzer te laten stromen, wisten zij stroom op te wekken.
Rust roest, maar roest hoeft niet te rusten. Het normaal ongewenste goedje kan namelijk worden gebruikt voor de productie van duurzame energie. Dat concluderen wetenschappers van de Northwestern University in Illinois en Caltech in het vakblad PNAS.
Zij gebruikten extreem dunne laagjes ijzer met daarop ijzeroxide (roest). Het ijzer was tien tot twintig nanometer dik, het ijzeroxide deed daar nog eens twee nanometer bovenop. Het geheel was zo’n 10.000 keer dunner dan een menselijke haar.
We zijn niet verslaafd aan onze telefoons en hebben geen ‘digitale detox’ nodig
Onszelf beschrijven als verslaafd aan onze telefoon werkt contraproductief, betoogt psycholoog Pete Etchells.
Door golfjes zout water over de ijzerlagen te laten lopen, ontstond een spanning van tientallen millivolt en een stroomsterkte van enkele microampère per vierkante centimeter. Dat klinkt alsof het niet veel voorstelt, maar een plaat ijzeroxide van tien vierkante meter zou volgens de onderzoekers genoeg energie opwekken voor een gemiddeld Amerikaans huishouden.
‘Natuurlijk zijn minder veeleisende toepassingen, zoals apparaten met een laag stroomverbruik op afgelegen locaties, op korte termijn veelbelovender’, zegt Caltech-scheikundige Tom Miller in een persverklaring. Hij ziet ook mogelijkheden op plekken waar toch al stromend zout water is. Een voorbeeld is de oceaan, waar roestige boeien elektriciteit kunnen opwekken.
Elektronen meeslepen
De zoutwatermethode werkt omdat in het zoute water atomen zitten met een elektrische lading, ionen. Deze geladen deeltjes trekken aan de elektronen in het geleidende ijzer onder de isolerende roestlaag. Wanneer een golfje zout water over het materiaal stroomt, zullen de ionen de elektronen in het ijzer meeslepen en zo een stroom tot stand brengen.
Omdat effecten meespelen die alleen op de nanoschaal optreden, moet de gebruikte ijzerlaag erg plat zijn. Zo bleek het materiaal dunner te moeten zijn dan de afstand die een elektron gemiddeld aflegt voordat het ergens op botst. Alleen in dat geval zullen de elektronen parallel aan de laag bewegen, in plaats van verticaal door het materiaal. ‘Dikkere lagen metaal werken niet. We hebben de sweet spot ontdekt’, zegt scheikundige Franz Geiger.
Goedkoop en gemakkelijk
Scheikundigen gebruikten het zoutwatertrucje al eerder om elektriciteit op te wekken in dunne laagjes grafeen: een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in de vorm van kippengaas. Volgens de Amerikaanse onderzoekers is het echter lastig om dunne grafeenlagen in de juiste maten en op grote schaal te produceren. Het productieproces vergt veel verschillende stappen. Hun laagjes ijzeroxide zijn daarentegen goedkoop en zijn met één productiestap klaar voor gebruik. ‘Het is eigenlijk gewoon roest op ijzer, dus het is vrij gemakkelijk te maken’, zegt Miller. ‘Dit is een robuustere uitvoering van wat we eerder gezien hebben in grafeen.’
Dat wil niet zeggen dat de onderzoekers konden wachten totdat een ijzeren brug in de buurt voldoende roest had verzameld voor hun experimenten. De laag ijzeroxide moet een consistente dikte hebben. Daarom verdampten zij ijzer tot een gas, wat ze vervolgens lieten neerslaan op een plastic of glazen oppervlak. Ze lieten het ijzerlaagje dat zo ontstond, roesten in de buitenlucht. Bij een dikte van twee nanometer stopte de roest vanzelf met groeien. Het resultaat bleek erg stabiel: volgens de onderzoekers zullen de resulterende laagjes jarenlang intact blijven.