Det finns många sätt att generera el – batterier, solpaneler, vindturbiner, och vattenkraftsdammar, för att nämna några exempel... och nu, det är rost.

Ny forskning utförd av forskare vid Caltech och Northwestern University visar att tunna rostfilmer – järnoxid – kan generera elektricitet när saltvatten rinner över dem. Dessa filmer representerar ett helt nytt sätt att generera el och skulle kunna användas för att utveckla nya former av hållbar kraftproduktion.

Interaktioner mellan metallföreningar och saltvatten genererar ofta elektricitet, men detta är vanligtvis resultatet av en kemisk reaktion där en eller flera föreningar omvandlas till nya föreningar. Sådana reaktioner är vad som fungerar inuti batterier.

I kontrast, fenomenet upptäckt av Tom Miller, Caltech professor i kemi, och Franz Geiger, Dow professor i kemi vid Northwestern, involverar inte kemiska reaktioner, utan snarare omvandlar den kinetiska energin från strömmande saltvatten till elektricitet.

Fenomenet, den elektrokinetiska effekten, har observerats tidigare i tunna filmer av grafen - ark av kolatomer ordnade i ett hexagonalt gitter - och det är anmärkningsvärt effektivt. Effekten är cirka 30 procent effektiv när det gäller att omvandla kinetisk energi till elektricitet. Som referens, de bästa solpanelerna är bara cirka 20 procent effektiva.

"En liknande effekt har setts i vissa andra material. Du kan ta en droppe saltvatten och dra den över grafen och se lite elektricitet som genereras, " säger Miller.

Dock, det är svårt att tillverka grafenfilmer och skala upp dem till användbara storlekar. Järnoxidfilmerna som upptäckts av Miller och Geiger är relativt lätta att producera och skalbara till större storlekar, säger Miller.

"Det är i princip bara rost på järn, så det är ganska enkelt att göra på stora ytor, " säger Miller. "Detta är en mer robust implementering av det som ses i grafen."

Även om rost bildas på järnlegeringar av sig själv, laget behövde för att säkerställa att det bildades i ett konsekvent tunt lager. Att göra det, de använde en process som kallas fysisk ångdeposition (PVD), som förvandlar normalt fasta material, i detta fall järnoxid, till en ånga som kondenserar på en önskad yta. PVD tillät dem att skapa ett järnoxidskikt 10 nanometer tjockt, cirka 10 tusen gånger tunnare än ett människohår.

När de tog det rostbelagda järnet och flödade saltvattenlösningar av olika koncentrationer över det, de fann att den genererade flera tiotals millivolt och flera mikroampere per cm-2.

"För perspektiv, plattor med en yta på 10 kvadratmeter vardera skulle generera några kilowattimmar – tillräckligt för ett standardhem i USA, " säger Miller. "Självklart, mindre krävande applikationer, inklusive energisnåla enheter på avlägsna platser, är mer lovande på kort sikt."

Mekanismen bakom elproduktionen är komplex, involverar jonadsorption och desorption, men det fungerar i princip så här:Jonerna som finns i saltvatten drar till sig elektroner i järnet under rostskiktet. När saltvattnet rinner, det gör de jonerna också, och genom den attraktionskraften, de drar med sig elektronerna i järnet, genererar en elektrisk ström.

Miller säger att denna effekt kan vara användbar i specifika scenarier där det finns rörliga saltlösningar, som i havet eller människokroppen.

"Till exempel, tidvattensenergi, eller saker som guppar i havet, som bojar, kan användas för passiv elektrisk energiomvandling, " säger han. "Du har saltvatten som flödar i dina ådror i periodiska pulser. Det skulle kunna användas för att generera elektricitet för att driva implantat."

Tidningen som beskriver deras fynd, med titeln "Energy Conversion via Metal Nanolayers, " visas i numret av den 29 juli Proceedings of the National Academy of Sciences .