Ny grafenopdagelse øger olieudforskningsindsatsen, kunne muliggøre selvdrevne mikrosensorer

(PhysOrg.com) - Forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute har udviklet en ny metode til at høste energi fra strømmende vand. Denne opdagelse har til formål at fremskynde oprettelsen af ​​selvdrevne mikrosensorer til mere præcis og omkostningseffektiv olieefterforskning.

Ledet af Rensselaer Professor Nikhil Koratkar, forskerne undersøgte, hvordan strømmen af ​​vand over overflader belagt med nanomaterialet grafen kunne generere små mængder elektricitet. Forskerholdet demonstrerede skabelsen af ​​85 nanowatt effekt fra et ark grafen, der måler 0,03 millimeter gange 0,015 millimeter.

Denne mængde energi skulle være tilstrækkelig til at drive små sensorer, der indføres i vand eller andre væsker og pumpes ned i en potentiel oliebrønd, sagde Koratkar. Når det injicerede vand bevæger sig gennem naturligt forekommende revner og sprækker dybt i jorden, enhederne registrerer tilstedeværelsen af ​​kulbrinter og kan hjælpe med at afdække skjulte lommer af olie og naturgas. Så længe der strømmer vand over de grafenbelagte enheder, de bør være i stand til at levere en pålidelig strømkilde. Denne strøm er nødvendig for, at sensorerne kan videresende indsamlet data og information tilbage til overfladen.

"Det er umuligt at drive disse mikrosensorer med konventionelle batterier, da sensorerne bare er for små. Så vi skabte en grafenbelægning, der giver os mulighed for at fange energi fra vandets bevægelse over sensorerne, " sagde Koratkar, professor ved Institut for Mekanik, Luftfart, og Nuklear Engineering og Institut for Materialevidenskab og Engineering i Rensselaer School of Engineering. "Selvom en lignende effekt er blevet observeret for carbon nanorør, dette er den første sådan undersøgelse med grafen. Grafens evne til at høste energi var mindst en størrelsesorden bedre end nanorør. I øvrigt, Fordelen ved de fleksible grafenplader er, at de kan vikles rundt om næsten enhver geometri eller form."

Detaljer om undersøgelsen, med titlen "Høste energi fra vandstrøm over grafen, ” blev offentliggjort online i dag af tidsskriftet Nano bogstaver . Undersøgelsen vil også blive vist i en fremtidig trykt udgave af tidsskriftet.

Efterforskning af kulbrinter er en dyr proces, der involverer boring dybt nede i jorden for at detektere tilstedeværelsen af ​​olie eller naturgas. Koratkar sagde, at olie- og gasselskaber gerne vil udvide denne proces ved at sende et stort antal sensorer i mikroskala eller nanoskala til nye og eksisterende borebrønde. Disse sensorer ville rejse sideværts gennem jorden, båret af trykvand pumpet ind i disse brønde, og ind i netværket af revner, der findes under jordens overflade. Olieselskaber ville ikke længere være begrænset til lodret efterforskning, og de indsamlede data fra sensorerne ville bevæbne disse firmaer med mere information til at beslutte de bedste steder at bore.

Holdets opdagelse er en potentiel løsning på en nøgleudfordring til at realisere disse autonome mikrosensorer, som skal være selvforsynende. Ved at dække mikrosensorerne med en grafenbelægning, sensorerne kan høste energi, når vandet strømmer hen over belægningen.

"Vi pakker grafenbelægningen rundt om sensoren, og det vil fungere som en 'smart hud', der fungerer som en nanofluidisk strømgenerator, ”Sagde Koratkar.

Grafen er et enkelt-atom-tykt ark af kulstofatomer, som er arrangeret som et kædehegn. Til denne undersøgelse, Koratkars team brugte grafen, der blev dyrket ved kemisk dampaflejring på et kobbersubstrat og overført til siliciumdioxid. Forskerne oprettede et eksperimentelt vandtunnelapparat for at teste produktionen af ​​strøm, når vand strømmer over grafen med forskellige hastigheder.

Sammen med fysisk demonstration af evnen til at generere 85 nanowatt strøm fra et lille fragment af grafen, forskerne brugte simuleringer af molekylær dynamik til bedre at forstå fysikken i dette fænomen. De opdagede, at chloridioner til stede i vandet klæber til overfladen af ​​grafen. Når vand strømmer over grafen, friktionskraften mellem vandstrømmen og laget af adsorberede kloridioner får ionerne til at drive langs strømningsretningen. Bevægelsen af ​​disse ioner trækker de gratis ladninger, der findes i grafen langs strømningsretningen - skaber en intern strøm.

Dette betyder, at grafenbelægningen kræver, at ioner er til stede i vand for at fungere korrekt. Derfor, olieefterforskningsselskaber ville være nødt til at tilføje kemikalier til vandet, der sprøjtes ind i brønden. Koratkar sagde, at dette er en nem, billig løsning.

Til studiet, Koratkars team testede også den energi, der blev høstet fra vand, der flyder over en film af kulstof nanorør. Imidlertid, energiproduktionen og ydeevnen var langt ringere end dem, der blev opnået med grafen, han sagde.

Ser man på potentielle fremtidige anvendelser af denne nye teknologi, Koratkar sagde, at han kunne forestille sig selvdrevne mikrorobotter eller mikroubåde. En anden mulighed er at høste strøm fra en grafenbelægning på undersiden af ​​en båd.