Produktion af elektricitet ved flodmundinger ved hjælp af lys og osmose

De fleste vedvarende energiteknologier er vejrafhængige. Vindmølleparker kan kun fungere, når der er en brise, og solkraftværker er afhængige af sollys. Forskere ved EPFL arbejder på en metode til at fange en energikilde, der konstant er tilgængelig ved flodmundinger:osmotisk kraft, også kendt som blå energi.

Osmose er en naturlig proces, hvorved molekyler vandrer fra en koncentreret til en mere fortyndet opløsning hen over en halvgennemtrængelig membran for at balancere koncentrationerne. Ved flodmundinger, elektrisk ladede saltioner bevæger sig fra det salte havvand til det friske flodvand. Ideen er at udnytte dette fænomen for at generere strøm.

Forskere fra EPFL's Laboratory of Nanoscale Biology (LBEN), som ledes af professor Aleksandra Radenovic på Ingeniørhøjskolen, har vist, at produktionen af ​​strøm ved hjælp af osmose kunne optimeres ved hjælp af lys. Gengivelse af de forhold, der opstår ved flodmundinger, de skinnede lys på et system, der kombinerer vand, salt og en membran på kun tre atomer tykke for at generere mere elektricitet. Under påvirkning af lys, systemet producerer dobbelt så meget strøm, som det gør i mørket. Deres resultater er blevet offentliggjort i Joule .

I et papir fra 2016 et team fra LBEN viste for første gang, at 2-D-membraner repræsenterede en potentiel revolution inden for osmotisk elproduktion. Men dengang, eksperimentet brugte ikke virkelige forhold.

Ioner, der passerer gennem en nanopore

Tilføjelsen af ​​lys betyder, at teknologien er kommet et skridt tættere på den virkelige verden. Systemet omfatter to væskefyldte rum, ved markant forskellige saltkoncentrationer, adskilt af en molybdendisulfid (MoS2) membran. I midten af ​​membranen er en nanopore - et lille hul mellem tre og ti nanometer (en milliontedel af en millimeter) i diameter.

Hver gang en saltion passerer gennem hullet fra opløsningen med høj til lav koncentration, en elektron overføres til en elektrode, som genererer en elektrisk strøm.

Systemets potentiale for elproduktion afhænger af en række faktorer - ikke mindst selve membranen, som skal være tynd for at generere maksimal strøm. Nanoporen skal også være selektiv for at skabe en potentiel forskel (en spænding) mellem de to væsker, ligesom i et konventionelt batteri. Nanoporen tillader positivt ladede ioner at passere, mens de skubber de fleste af de negativt ladede væk.

Systemet er fint afbalanceret. Nanoporen og membranen skal være stærkt ladede, og flere nanoporer af identisk størrelse er nødvendige, hvilket er en teknisk udfordrende proces.

Udnyttelse af sollysets kraft

Forskerne kom udenom disse to problemer på samme tid ved at bruge lavintensivt laserlys. Lys frigiver indlejrede elektroner og får dem til at ophobe sig på membranens overflade, hvilket øger overfladeladningen af ​​materialet. Som resultat, nanoporen er mere selektiv, og strømmen stiger.

"Taget sammen, disse to effekter betyder, at vi ikke behøver at bekymre os så meget om nanoporernes størrelse, "forklarer Martina Lihter, en forsker ved LBEN. "Det er gode nyheder for storskala produktion af teknologien, da hullerne ikke behøver at være perfekte og ensartede. "

Ifølge forskerne, et system af spejle og linser kunne bruges til at rette dette lys mod membranerne ved flodmundinger. Lignende systemer bruges i solfangere og koncentratorer - en teknologi, der allerede er bredt anvendt inden for solcelleanlæg. "Grundlæggende, systemet kunne generere osmotisk strøm dag og nat, "forklarer Michael Graf, hovedforfatter til papiret. "Output ville fordobles i dagslys."

Næste skridt

Forskere vil nu fortsætte deres arbejde ved at undersøge mulighederne for at skalere produktionen af ​​membranen, adressering af en række udfordringer såsom optimal poretæthed. Der er stadig meget arbejde, før teknologien kan bruges til virkelige applikationer. For eksempel, den ultratynde membran skal mekanisk stabiliseres. Dette kan gøres ved at bruge en siliciumskive, der indeholder et tæt array af siliciumnitridmembraner, som er lette og billige at fremstille.

Denne forskning, ledet af LBEN, udføres som en del af et samarbejde mellem to EPFL -laboratorier (LANES og LBEN) og forskere ved Institut for Elektroteknik og Computer Engineering, University of Illinois Urbana-Champaign.

Tilbage i 2016, forskere fra LBEN rapporterede, at for første gang, de havde produceret osmotisk kraft på tværs af 2-D-membraner, der kun var tre atomer tykke. Eksperimentet var en vigtig demonstration af, at nanomaterialer faktisk kan repræsentere en revolution på dette område, med direkte anvendelse påtænkt for vedvarende energi og små, bærbare energikilder.

På det tidspunkt, at opnå høj elproduktion, forskerne skulle operere i et alkalisk miljø, med høje pH -værdier, der er langt fra de værdier, der findes i flodmundinger. Høj pH var påkrævet for at øge overfladeladningen af ​​MoS2 og for at forbedre osmotisk effekt.

Denne gang, i stedet for at bruge kemiske behandlinger, forskerne opdagede, at lys kunne spille den rolle, giver dem mulighed for at operere under virkelige forhold.