Nanoenheter kan produsere energi fra fordampende kran eller sjøvann

Publisert av Platon

Følgere: 0

SEM-bilde-av-silisium-nanopilarer — Skanneelektronmikroskopbilde av silisiumnanopilarene (bildekreditt: © Tarique Anwar, LNET EPFL, CC BY SA)

Forskere sier de har oppdaget at enheter i nanoskala som utnytter den vannkraftige effekten kan høste elektrisitet fra fordampning av væsker med høyere ionekonsentrasjoner enn renset vann, og avslører et enormt uutnyttet energipotensial.

Fordampning er en naturlig prosess så allestedsnærværende at de fleste av oss tar det for gitt. Faktisk driver omtrent halvparten av solenergien som når jorden fordampningsprosesser. Siden 2017 har forskere jobbet for å utnytte energipotensialet til fordampning via den hydrovoltaiske (HV) effekten, som gjør at elektrisitet kan høstes når væske føres over den ladede overflaten til en nanoskala enhet. Fordampning etablerer en kontinuerlig strøm i nanokanaler inne i disse enhetene, som fungerer som passive pumpemekanismer. Denne effekten sees også i mikrokapillærene til planter, hvor vanntransport skjer takket være en kombinasjon av kapillærtrykk og naturlig fordampning.

Selv om hydrovoltaiske enheter for tiden eksisterer, er det svært liten funksjonell forståelse av forholdene og fysiske fenomener som styrer HV-energiproduksjon på nanoskala. Det er et informasjonshull som Giulia Tagliabue, leder for Laboratory of Nanoscience for Energy Technology (LNET) ved School of Engineering, og PhD-student Tarique Anwar ønsket å fylle. De utnyttet en kombinasjon av eksperimenter og multifysisk modellering for å karakterisere væskestrømmer, ionestrømmer og elektrostatiske effekter på grunn av fast-væske-interaksjoner, med mål om å optimalisere HV-enheter.

"Takket være vår nye, svært kontrollerte plattform, er dette den første studien som kvantifiserer disse hydrovoltaiske fenomenene ved å fremheve betydningen av ulike interfacial interaksjoner. Men i prosessen gjorde vi også et viktig funn: at hydrovoltaiske enheter kan operere over et bredt spekter av saltholdigheter, noe som motsier tidligere forståelse av at høyt renset vann var nødvendig for best ytelse, sier Tagliabue.

LNET-studien har nylig blitt publisert i tidsskriftet Cell Press Device.

En avslørende multifysisk modell
Forskernes enhet representerer den første hydrovoltaiske anvendelsen av en teknikk kalt nanosfære kolloidal litografi, som tillot dem å lage et sekskantet nettverk av nøyaktig adskilte silisiumnanopilarer. Mellomrommene mellom nanopilarene skapte de perfekte kanalene for å fordampe væskeprøver, og kunne finjusteres for bedre å forstå effekten av væskeinneslutning og kontaktområdet med faststoff/væske.

"I de fleste fluidsystemer som inneholder saltløsninger, har du like mange positive og negative ioner. Men når du begrenser væsken til en nanokanal, vil bare ioner med en polaritet motsatt polariteten til overflateladningen bli igjen, forklarer Anwar. "Dette betyr at hvis du lar væske strømme gjennom nanokanalen, vil du generere strøm og spenninger."

"Dette går tilbake til vårt viktigste funn om at den kjemiske likevekten for overflateladningen til nanoenheten kan utnyttes til å utvide driften av hydrovoltaiske enheter over saltholdighetsskalaen," legger Tagliabue til. "Jo, ettersom væskeionekonsentrasjonen øker, øker også overflateladningen til nanoenheten. Som et resultat kan vi bruke større væskekanaler mens vi jobber med væsker med høyere konsentrasjon. Dette gjør det lettere å fremstille enheter for bruk med spring- eller sjøvann, i motsetning til bare renset vann."

Vann, vann overalt
Fordi fordampning kan skje kontinuerlig over et bredt spekter av temperaturer og fuktighet – og til og med om natten – er det mange spennende potensielle bruksområder for mer effektive HV-enheter. Forskerne håper å utforske dette potensialet med støtte fra et Swiss National Science Foundation Starting Grant, som tar sikte på å utvikle "et helt nytt paradigme for gjenvinning av spillvarme og fornybar energiproduksjon i stor og liten skala," inkludert en prototypemodul under ekte -Verdensforhold ved Genfersjøen.

Og fordi HV-enheter teoretisk sett kan brukes hvor som helst hvor det er væske – eller til og med fuktighet, som svette – kan de også brukes til å drive sensorer for tilkoblede enheter, fra smart-TV-er til helse- og treningsutstyr. Med LNETs ekspertise innen høsting og lagring av lysenergi, er Tagliabue også opptatt av å se hvordan lys og fototermiske effekter kan brukes til å kontrollere overflateladninger og fordampningshastigheter i HV-systemer.

Til slutt ser forskerne også viktige synergier mellom HV-systemer og rentvannsproduksjon.

"Naturlig fordampning brukes til å drive avsaltingsprosesser, ettersom ferskvann kan høstes fra saltvann ved å kondensere dampen som produseres av en fordampende overflate. Nå kan du tenke deg å bruke et HV-system både for å produsere rent vann og utnytte elektrisitet samtidig, sa Anwar.