Nanoenheder kan producere energi fra fordampende vandhane eller havvand
Fordampning er en naturlig proces, der er så allestedsnærværende, at de fleste af os tager den for givet. Faktisk driver omkring halvdelen af den solenergi, der når Jorden, fordampningsprocesser. Siden 2017 har forskere arbejdet på at udnytte energipotentialet ved fordampning via den hydrovoltaiske (HV) effekt, som gør det muligt at høste elektricitet, når væske passeres over den ladede overflade af en enhed i nanoskala.
Fordampning etablerer et kontinuerligt flow i nanokanaler inde i disse enheder, som fungerer som passive pumpemekanismer. Denne effekt ses også i planters mikrokapillærer, hvor vandtransport sker takket være en kombination af kapillartryk og naturlig fordampning.
Selvom der i øjeblikket eksisterer hydrovoltaiske enheder, er der meget lidt funktionel forståelse af de forhold og fysiske fænomener, der styrer HV-energiproduktion på nanoskala. Det er et informationsgab, som Giulia Tagliabue, leder af Laboratory of Nanoscience for Energy Technology (LNET) i School of Engineering, og Ph.D. studerende Tarique Anwar ønskede at udfylde.
De udnyttede en kombination af eksperimenter og multifysisk modellering til at karakterisere væskestrømme, ionstrømme og elektrostatiske effekter på grund af faststof-væske-interaktioner med det mål at optimere HV-enheder.
"Takket være vores nye, stærkt kontrollerede platform, er dette den første undersøgelse, der kvantificerer disse hydrovoltaiske fænomener ved at fremhæve betydningen af forskellige grænsefladeinteraktioner. Men i processen gjorde vi også en stor konstatering:at hydrovoltaiske enheder kan fungere over et bredt område af saltholdigheder, hvilket modsiger tidligere forståelse af, at højrenset vand var påkrævet for den bedste ydeevne," siger Tagliabue.
LNET-undersøgelsen er for nylig blevet offentliggjort i Device .
En afslørende multifysikmodel
Forskernes enhed repræsenterer den første hydrovoltaiske anvendelse af en teknik kaldet nanosfære kolloid litografi, som gjorde det muligt for dem at skabe et sekskantet netværk af præcist adskilte siliciumnanopiller. Mellemrummene mellem nanopillerne skabte de perfekte kanaler til at fordampe væskeprøver og kunne finjusteres for bedre at forstå virkningerne af væskeindeslutning og faststof/væskekontaktområdet.
"I de fleste fluidsystemer, der indeholder saltvandsopløsninger, har du lige mange positive og negative ioner. Men når du begrænser væsken til en nanokanal, vil kun ioner med en polaritet modsat overfladeladningen blive tilbage," forklarer Anwar. "Det betyder, at hvis du tillader væske at strømme gennem nanokanalen, vil du generere strøm og spændinger."
"Dette går tilbage til vores vigtigste opdagelse om, at den kemiske ligevægt for overfladeladningen af nanoenheden kan udnyttes til at udvide driften af hydrovoltaiske enheder på tværs af saltholdighedsskalaen," tilføjer Tagliabue.
"Jo, efterhånden som væskeionkoncentrationen stiger, stiger overfladeladningen af nanoenheden også. Som et resultat kan vi bruge større væskekanaler, mens vi arbejder med væsker med højere koncentration. Dette gør det nemmere at fremstille enheder til brug med hane- eller havvand , i modsætning til kun renset vand."
Vand, vand overalt
Fordi fordampning kan forekomme kontinuerligt over en lang række temperaturer og fugtigheder – og selv om natten – er der mange spændende potentielle anvendelser for mere effektive HV-enheder.
Forskerne håber at kunne udforske dette potentiale med støtte fra en Swiss National Science Foundation Starting Grant, som har til formål at udvikle "et helt nyt paradigme for genvinding af spildvarme og vedvarende energiproduktion i stor og lille skala," inklusive et prototypemodul under reel -verdensforhold ved Genevesøen.
Og fordi HV-enheder teoretisk set kunne betjenes overalt, hvor der er væske - eller endda fugt, som sved - kunne de også bruges til at forsyne sensorer til tilsluttede enheder, fra smart-tv'er til wearables til sundhed og fitness. Med LNET's ekspertise inden for høst- og lagringssystemer for lysenergi er Tagliabue også ivrig efter at se, hvordan lys og fototermiske effekter kan bruges til at kontrollere overfladeladninger og fordampningshastigheder i HV-systemer.
Endelig ser forskerne også vigtige synergier mellem HV-systemer og rentvandsproduktion.
"Naturlig fordampning bruges til at drive afsaltningsprocesser, da ferskvand kan høstes fra saltvand ved at kondensere dampen, der produceres af en fordampningsoverflade. Nu kunne du forestille dig at bruge et HV-system både til at producere rent vand og udnytte elektricitet på samme tid. " forklarer Anwar.
Flere oplysninger: Tarique Anwar et al., Salinitetsafhængige grænsefladefænomener mod hydrovoltaisk enhedsoptimering, Device (2024). DOI:10.1016/j.device.2024.100287
Journaloplysninger: Enhed
Leveret af Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
Varme artikler
-
Ny designer carbon booster batteriets ydeevneDesigner kulstofforbedrende energilagring. Kredit:John To og Zheng Chen, Stanford University Forskere fra Stanford University har skabt et nyt kulstofmateriale, der markant øger ydeevnen af ener -
Meget følsomme sensorer til at måle hjerte- og hjerneaktivitetVed at påføre et magnetfelt, bøjningsbjælken vibrerer. En permanent elektrisk ladet elektret (blå) trækker bøjningsstrålen. På denne måde bliver hans liv stærkere og også det udsendte elektriske signa -
Nanorobotter kunne målrette mod kræftformer og fjerne blodpropperEfter injektion eller indtagelse, de fleste stoffer er afhængige af bevægelse af kropsvæsker for at finde vej rundt i kroppen. Nogle sygdomstyper kan være svære at behandle effektivt på denne måde. Kr -
Mikroskopi afslører atomantenneadfærd i grafenElektronmikroskopi ved Oak Ridge National Laboratory har vist, at siliciumatomer (set i hvidt) kan fungere som atomantenner i grafen for at transmittere et elektronisk signal på atomær skala. Kredit:O
- Når 1 ud af 3 brugere er turister, det ændrer cykelandelsligningen for byer
- EU udgiver europæiske regler for dronedrift
- Aktiemarkederne i COVID-tiden
- Ændringer af stenværktøj kan vise, hvordan mesolitiske jæger-samlere reagerede på skiftende kli…
- Forskere evaluerer jordafkølingsstrategier med geoengineering-simuleringer
- Undersøgelse viser, hvordan kulstof nanorør kan påvirke slimhinden i lungerne