Naukowcy z Uniwersytetu w Osace pokazali, jak kontrolować przepływ jonów przez membranę nanoporową poprzez przyłożenie napięcia do elektrody bramki, co potencjalnie przyspiesza pozyskiwanie zrównoważonej niebieskiej energii.
Niebieska energia stanowi obiecującą zrównoważoną alternatywę dla paliw kopalnych, wykorzystując energię wytwarzaną, gdy jony w roztworze soli przemieszczają się z obszarów o wysokim stężeniu do niskiego stężenia. Naukowcy z Uniwersytetu w Osace zbadali, w jaki sposób przyłożenie napięcia wpływa na ruch jonów przez membranę nanoporową, uzyskując lepszą kontrolę nad procesem.
W badaniu opublikowanym niedawno w ACS Nano Naukowcy przyjrzeli się dostosowaniu przepływu jonów przez szereg nanoporów tworzących ich membranę oraz temu, jak ta kontrola może sprawić, że zastosowanie technologii na dużą skalę stanie się rzeczywistością.
Jeśli membrany są wykonane z naładowanego materiału, nanopory mogą powodować przepływ przez nie prądu, przyciągając jony roztworu o przeciwnym ładunku. Jony o tym samym ładunku mogą następnie przemieszczać się przez pory, wytwarzając prąd. Oznacza to, że materiał porów jest bardzo ważny, a jego wybór był dotychczas sposobem kontrolowania przepływu i prądu.
Jednak wytworzenie dokładnie takich samych struktur porów w różnych materiałach w celu poznania ich porównawczych właściwości jest wyzwaniem. Dlatego badacze postanowili zbadać inny sposób dostosowania przepływu jonów przez membrany nanoporowe.
Zastosowanie napięcia i jego skutki
„Zamiast po prostu wykorzystywać podstawowy ładunek powierzchniowy naszej membrany do dyktowania przepływu, przyjrzeliśmy się, co się dzieje po przyłożeniu napięcia” – wyjaśnia główny autor badania Makusu Tsutsui. „Użyliśmy elektrody bramki wbudowanej w membranę, aby kontrolować pole poprzez napięcie w podobny sposób, jak tranzystory półprzewodnikowe działają w konwencjonalnych obwodach”.
Naukowcy odkryli, że bez przyłożonego napięcia przepływ kationów – jonów naładowanych dodatnio – nie powodował żadnego ładunku, ponieważ były one przyciągane przez ujemnie naładowaną powierzchnię membrany.
Jednakże, gdyby zastosowano różne napięcia, wydajność tę można by dostroić, aby umożliwić przepływ kationów, zapewniając nawet pełną selektywność kationów. Doprowadziło to do sześciokrotnego wzrostu efektywności energetycznej osmotycznej.
„Zwiększając gęstość ładunku na powierzchni nanoporów tworzących membranę, osiągnęliśmy gęstość mocy na poziomie 15 W/m2” – mówi starszy autor Tomoji Kawai. „To bardzo zachęcające, jeśli chodzi o rozwój technologii”.
Wyniki badania ujawniają potencjał skalowania membran nanoporowych w codziennym zastosowaniu. Mamy nadzieję, że generatory prądu osmotycznego z nanoporami umożliwią wprowadzenie niebieskiej energii do głównego nurtu, co zapewni bardziej zrównoważoną przyszłość energetyczną.
Odniesienie: „Gate-All-Around Nanopore Osmotic Power Generators” autorstwa Makusu Tsutsui, Wei-Lun Hsu, Denisa Garoli, Iat Wai Leonga, Kazumichi Yokota, Hirofumi Daiguji i Tomoji Kawai, 28 maja 2024 r., ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.4c01989
Badanie zostało sfinansowane przez Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki.
