Kontrolle des Ionen Transports für eine blau-energetische Zukunft: Forschung betont das Potenzial von Nanoporen-Membranen

30. Mai 2024

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von der Universität Osaka

Blaue Energie hat das Potenzial, eine nachhaltige Alternative zu fossilen Brennstoffen zu bieten. Einfach ausgedrückt, geht es darum, die Energie zu nutzen, die entsteht, wenn die Ionen in einer Salzlösung von hohen zu niedrigen Konzentrationen fließen.

Ein Team, darunter Forscher der Universität Osaka, hat die Auswirkungen der Spannung auf den Durchgang von Ionen durch eine Nanoporenmembran untersucht, um eine stärkere Kontrolle des Prozesses zu demonstrieren.

In einer kürzlich in ACS Nano veröffentlichten Studie untersuchten die Forscher, wie sie den Fluss der Ionen durch das Array von Nanoporen, aus denen ihre Membran besteht, anpassen und wie diese Kontrolle die Anwendung der Technologie im großen Maßstab realisieren könnte.

Wenn die Membranen aus einem geladenen Material bestehen, können Nanoporen einen Stromfluss verursachen, indem sie Lösung Ionen mit der entgegengesetzten Ladung anziehen. Die Ionen mit der gleichen Ladung können dann durch die Pore fließen und den Strom erzeugen. Das bedeutet, dass das Porenmaterieal sehr wichtig ist und seine Auswahl bisher der Weg zur Kontrolle von Fluss und Strom war.

Es ist jedoch schwierig, die exakt gleichen Porenstrukturen in einer Reihe verschiedener Materialien herzustellen, um ihre vergleichende Leistung zu verstehen. Die Forscher haben daher beschlossen, eine andere Möglichkeit zu untersuchen, den Ionenfluss über Nanoporenmembranen zu steuern.

'Anstatt einfach die grundlegende Oberflächenladung unserer Membran den Fluss bestimmen zu lassen, schauten wir uns an, was passiert, wenn Spannungen angelegt werden', erklärt der Hauptautor der Studie, Makusu Tsutsui. 'Wir haben eine Gate-Elektrode verwendet, die über die Membran eingebettet ist, um das Feld durch Spannung ähnlich zu steuern, wie Halbleitertransistoren in herkömmlichen Schaltkreisen arbeiten.'

Die Forscher stellten fest, dass ohne angelegte Spannung durch den Fluss von Kationen - positiv geladenen Ionen - keine Ladung entstand, weil sie zur negativ geladenen Membranoberfläche hingezogen wurden.

Erlaubten jedoch verschiedene Spannungen könnte diese Leistung abgestimmt werden, um Kationen fließen zu lassen, sogar eine vollständige Selektivität für Kationen zu bieten. Dies führte zu einer sechsfachen Erhöhung der osmotischen Energieeffizienz.

'Indem wir die Ladungsdichte an der Oberfläche der Nanoporen, welche die Membran bilden, erhöhten, erreichten wir eine Leistungsdichte von 15 W/m2', sagt der leitende Autor Tomoji Kawai. 'Das ist sehr ermutigend im Hinblick auf die Weiterentwicklung der Technologie.'

Die Studienergebnisse zeigen das Potenzial, Nanoporenmembranen für den alltäglichen Einsatz zu skalieren. Es wird gehofft, dass Nanoporen-Osmosekraftwerke eine Möglichkeit bieten werden, die blaue Energie in den Mainstream zu bringen, für eine nachhaltigere Energiezukunft.

Journalinformationen: ACS Nano

Zur Verfügung gestellt von der Universität Osaka