Styring af iontransport for en fremtid med blå energi:Forskning fremhæver potentialet ved nanopore-membraner

Blå energi har potentialet til at give et bæredygtigt alternativ til fossile brændstoffer. Enkelt sagt involverer det at udnytte den energi, der produceres, når ionerne i en saltopløsning bevæger sig fra høje til lave koncentrationer.

Et hold inklusive forskere fra Osaka University har undersøgt effekten af ​​spænding på passagen af ​​ioner gennem en nanopore-membran for at demonstrere større kontrol over processen.

I en undersøgelse for nylig offentliggjort i ACS Nano forskerne så på at skræddersy strømmen af ​​ioner gennem den række af nanoporer, der udgør deres membran, og hvordan denne kontrol kunne gøre anvendelse af teknologien i stor skala til en realitet.

Hvis membranerne er lavet af et ladet materiale, kan nanoporer få en strøm til at flyde gennem dem ved at tiltrække opløsningsioner med den modsatte ladning. Ionerne med samme ladning kan derefter bevæge sig gennem poren og generere strømmen. Dette betyder, at porematerialet er meget vigtigt, og at vælge det har været midlet til at kontrollere flowet og strømmen til dato.

Det er imidlertid en udfordring at fremstille de nøjagtige samme porestrukturer i en række forskellige materialer for at forstå deres sammenlignende ydeevne. Forskerne besluttede derfor at undersøge en anden måde at skræddersy strømmen af ​​ioner på tværs af nanopore-membraner.

"I stedet for blot at bruge den grundlæggende overfladeladning af vores membran til at diktere flowet, så vi på, hvad der sker, når der påføres spændinger," forklarer studieleder Makusu Tsutsui. "Vi brugte en gate-elektrode indlejret på tværs af membranen til at styre feltet gennem spænding på samme måde som halvledertransistorer fungerer i konventionelle kredsløb."

Forskerne fandt ud af, at uden spænding var der ingen ladning genereret af strømmen af ​​kationer – positivt ladede ioner – fordi de blev tiltrukket af den negativt ladede membranoverflade.

Men hvis forskellige spændinger blev anvendt, kunne denne ydeevne indstilles til at tillade kationer at flyde, endda give fuldstændig selektivitet for kationer. Dette førte til en seksdobling af den osmotiske energieffektivitet.

"Ved at øge ladningstætheden på overfladen af ​​de nanoporer, der udgør membranen, opnåede vi en effekttæthed på 15 W/m ² ," siger seniorforfatter Tomoji Kawai. "Dette er meget opmuntrende i forhold til at udvikle teknologien."

Undersøgelsesresultaterne afslører potentialet for skalering af nanopore-membraner til daglig anvendelse. Det er håbet, at nanopore osmotiske strømgeneratorer vil være et middel til at bringe blå energi til mainstream for en mere bæredygtig energifremtid.

Flere oplysninger: Makusu Tsutsui et al., Gate-All-Around Nanopore Osmotic Power Generators, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.4c01989

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Osaka University