Membran inspireret af knogler og brusk producerer effektivt elektricitet fra saltvand

Inspireret af membraner i levende organismers kropsvæv, forskere har kombineret aramid nanofibre brugt i Kevlar med bornitrid for at konstruere en membran til høst af havenergi, der er både stærk som knogle og velegnet til iontransport som brusk. Forskningen, offentliggjort 18. december i tidsskriftet Joule, overvinder store designudfordringer for teknologier, der udnytter osmotisk energi (tryk og saltholdighedsgradientforskelle mellem ferskvand og havvand) til at generere en miljøvenlig og bredt tilgængelig form for vedvarende energi.

Osmotiske energigeneratorer varierer mindre fra den ene dag til den anden end sol- og vindenergiparker, gør dem mere pålidelige end disse grønne energi hæfteklammer. Imidlertid, leret, grafenoxid, MXene, og molybdændisulfid nanomaterialer, der almindeligvis anvendes i membraner, har tendens til at kollapse og desintegreres i vand.

Mens nanoplader lavet af bornitrid for nylig har vist lovende, forbliver stabil, når temperaturen stiger og ikke let reagerer med andre stoffer, Membraner fremstillet af bornitrid alene er heller ikke hårdføre nok til at modstå vand i lang tid, begynder hurtigt at lække ioner, da de udvikler mikroskopiske revner.

"Nye avancerede bornitrid-kompositmembraner med nye og robuste egenskaber vil løse dette problem, som er i høj efterspørgsel nu, " siger Weiwei Lei, ledende videnskabsmand for dette projekt i Australien, en seniorforsker ved Deakin University's Institute for Frontier Materials (IFM).

"Osmotisk energi repræsenterer en enorm ressource for menneskeheden, men implementeringen er stærkt begrænset af tilgængeligheden af ​​de højtydende ion-selektive membraner, " siger Nicholas Kotov, ledende videnskabsmand i USA, professor i ingeniørvidenskab ved University of Michigan.

Lei, Kotov, og deres kolleger satte sig for at løse dette problem ved at vende sig til levende væseners væv som en plan, observerer, at mange forskellige varianter af højtydende ion-selektive membraner er nødvendige for at lette de biologiske reaktioner i deres kroppe. De bemærkede, at mens blødt væv, såsom brusk, nyremembraner, og basalmembraner, tillade ioner at passere igennem med lethed, de er svage og spinkle. I modsætning, knogler er usædvanligt stærke og stive, men uden fordelen ved effektiv iontransport.

"Vi fandt en måde at 'gifte' disse to typer materialer for at opnå begge egenskaber på samme tid, ved hjælp af aramid nanofibre, der gør fleksible fibrøse materialer, der ligner brusk, og bornitrid, der gør blodplader, der ligner knogler, " siger Kotov.

"Vores bio-inspirerede nanokompositmembraner har visse fordele såsom høj robusthed og at de er nemmere at fremstille og tilbyder større multifunktionalitet end membraner lavet af et enkelt materiale, " siger Lei.

Forskerne konstruerede hybridmembranen ved hjælp af lag-for-lag-samling, en metode til at genskabe lagdelte komplekse kompositter, der fungerer særligt godt til vandteknologier. De påførte tryk på et reservoir af aramid-bornitridmembranen i natriumchloridopløsning for at observere dens strøm og sammenlignede den med andre nanomaterialemembraner, opdager, at snæverheden af ​​dens kanaler gør det muligt for den at tiltrække natriumkationer og frastøde chloridanioner bedre end andre porøse kompositter. Lei, Kotov, og kolleger skyllede også membranen gentagne gange i natriumchlorid i tyve cyklusser for at overvåge dens stabilitet, fandt ud af, at den fortsatte med at fungere optimalt efter 200 timer.

"Vores nye kompositmembran har en justerbar tykkelse og høj stabilitet ved temperaturer fra 0 til 95 grader Celsius og ved en pH på 2,8 til 10,8, " siger Lei.

"Billige komponenter og membranens levetid gør høst af havenergi realistisk, " siger Dan Liu, avisens hovedforfatter, også hos Deakin IFM.

Alt i alt, forskerne konkluderede, at aramid-bornitridmembranen er velegnet til at modstå en lang række forhold, de ville forvente, at den ville møde, mens den genererer osmotisk energi. De mener også, at teknologien er meget skalerbar, især da begge dets komponenter er billige. Aramid nanofibre kan endda samles fra kasseret Kevlar stof.

"Dette er de bedst ydende membraner kendt hidtil, " siger Kotov. "Men de er endnu ikke fuldt optimeret. Endnu bedre ydeevne kan potentielt opnås."