Elektricitet produceret med vand, salt og en tre-atomer tyk membran

Tilhængere af ren energi vil snart have en ny kilde at tilføje til deres eksisterende solenergi-array, vind, og vandkraft:osmotisk kraft. Eller mere specifikt, energi genereret af et naturligt fænomen, der opstår, når ferskvand kommer i kontakt med havvand gennem en membran.

Forskere ved EPFL's Laboratory of Nanoscale Biology har udviklet et osmotisk elproduktionssystem, der leverer aldrig før set udbytter. Deres innovation ligger i en tre atoms tyk membran, der bruges til at adskille de to væsker. Resultaterne af deres forskning er blevet offentliggjort i Natur .

Konceptet er ret simpelt. En semipermeabel membran adskiller to væsker med forskellige saltkoncentrationer. Saltioner bevæger sig gennem membranen, indtil saltkoncentrationerne i de to væsker når ligevægt. Det fænomen er netop osmose.

Hvis systemet bruges med havvand og ferskvand, saltioner i havvandet passerer gennem membranen ind i ferskvandet, indtil begge væsker har samme saltkoncentration. Og da en ion simpelthen er et atom med en elektrisk ladning, bevægelsen af ​​saltionerne kan udnyttes til at generere elektricitet.

A 3 atomer tyk, selektiv membran, der gør jobbet

EPFLs system består af to væskefyldte rum adskilt af en tynd membran lavet af molybdændisulfid. Membranen har et lille hul, eller nanopore, hvorigennem havvandioner passerer ind i ferskvandet, indtil de to væskers saltkoncentrationer er ens. Når ionerne passerer gennem nanoporen, deres elektroner overføres til en elektrode - som er det, der bruges til at generere en elektrisk strøm.

Takket være dens egenskaber tillader membranen positivt ladede ioner at passere igennem, mens de skubber de fleste af de negativt ladede væk. Det skaber spænding mellem de to væsker, da den ene opbygger en positiv ladning og den anden en negativ ladning. Denne spænding er det, der får den strøm, der genereres ved overførsel af ioner, til at flyde.

"Vi skulle først fremstille og derefter undersøge den optimale størrelse af nanoporen. Hvis den er for stor, negative ioner kan passere igennem, og den resulterende spænding ville være for lav. Hvis den er for lille, ikke nok ioner kan passere igennem, og strømmen ville være for svag, "sagde Jiandong Feng, hovedforfatter af forskningen.

Det, der adskiller EPFLs system, er dets membran. I disse typer systemer, strømmen stiger med en tyndere membran. Og EPFLs membran er kun et par atomer tyk. Materialet den er lavet af - molybdændisulfid - er ideel til at generere en osmotisk strøm. "Det er første gang, et todimensionelt materiale er blevet brugt til denne type anvendelse, " sagde Aleksandra Radenovic, leder af laboratoriet for biologi i nanoskala

Forsyner 50.000 energibesparende pærer med 1m2 membran

Potentialet i det nye system er enormt. Ifølge deres beregninger, en 1m² membran med 30 % af overfladen dækket af nanoporer burde kunne producere 1MW elektricitet - eller nok til at forsyne 50, 000 standard energisparepærer. Og da molybdændisulfid (MoS2) let findes i naturen eller kan dyrkes ved kemisk dampaflejring, systemet kunne tænkes at øges til storstilet elproduktion. Den største udfordring i at opskalere denne proces er at finde ud af, hvordan man laver relativt ensartede porer.

Indtil nu, forskere har arbejdet på en membran med en enkelt nanopore, for at forstå præcist, hvad der foregik. '' Fra et ingeniørmæssigt perspektiv, enkelt nanopore system er ideelt til at fremme vores grundlæggende forståelse af membranbaserede processer og give nyttig information til kommercialisering på industriniveau'', sagde Jiandong Feng.

Forskerne var i stand til at køre en nanotransistor fra strømmen genereret af en enkelt nanopore og demonstrerede dermed et selvdrevet nanosystem. Laveffekt-enkeltlags MoS2-transistorer blev fremstillet i samarbejde med Andreas Kis 'team på EPFL, mens molekylære dynamiksimuleringer blev udført af kollaboratører ved University of Illinois i Urbana-Champaign

Udnyttelse af potentialet i flodmundinger

EPFLs forskning er en del af en voksende tendens. I de sidste mange år, videnskabsmænd over hele verden har udviklet systemer, der udnytter osmotisk kraft til at skabe elektricitet. Pilotprojekter er opstået i steder som Norge, Holland, Japan, og USA til at generere energi ved flodmundinger, hvor floder løber ud i havet. For nu, membranerne, der bruges i de fleste systemer, er organiske og skrøbelige, og levere lavt udbytte. Nogle systemer bruger vandets bevægelse, snarere end ioner, til at drive turbiner, der igen producerer elektricitet.

Når systemerne bliver mere robuste, osmotisk energi kan spille en stor rolle i produktionen af ​​vedvarende energi. Mens solpaneler kræver tilstrækkeligt sollys og vindmøller tilstrækkelig vind, osmotisk energi kan produceres næsten når som helst på dagen eller natten - forudsat at der er en flodmunding i nærheden.