Kontrollera jontransport för en blå energiframtid: Forskning framhäver potentialen hos nanopor-membraner

30 maj, 2024

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policyer. Redaktörer har lyft fram följande attribut och har haft fokus på innehålls trovärdighet:

• faktagranskat
• granskats av kollegor för publicering
• tillförlitlig källa
• korrekturläst

av Osaka University

Blå energi har potentialen att erbjuda ett hållbart alternativ till fossila bränslen. Enkelt uttryckt handlar det om att utnyttja den energi som genereras när jonerna i en saltlösning rör sig från höga till låga koncentrationer.

Ett team, inklusive forskare från Osaka University, har undersökt effekten av spänning på joners passage genom en nanopormembran för att visa större kontroll över processen.

I en studie som nyligen publicerades i ACS Nano undersökte forskarna möjligheten att utforma flödet av joner genom nanoporerna i membranet, och hur denna kontroll kunde göra det möjligt att applicera tekniken i stor skala.

Om membranen är gjorda av ett laddat material kan nanoporer orsaka att en ström flyter genom dem genom att attrahera lösningens joner med motsatt laddning. Jonerna med samma laddning kan då röra sig genom porerna och generera strömmen. Det innebär att porernas material är mycket viktigt och att välja det har hittills varit sättet att kontrollera flödet och strömmen.

Att dock producera exakt samma porstrukturer i en rad olika material för att förstå deras jämförbara prestanda är utmanande. Forskarna bestämde sig därför för att undersöka ett annat sätt att kontrollera jonflödet genom nanopormembran.

'Istället för att enbart använda den grundläggande ytladdningen på vårt membran för att styra flödet, tittade vi på vad som händer när spänningar appliceras,' förklarar studiens huvudförfattare Makusu Tsutsui. 'Vi använde en gate-elektrod inbäddad i membranet för att kontrollera fältet via spänning på ett sätt liknande hur halvledartransistorer fungerar i konventionella kretsar.'

Forskarna fann att det inte genererades någon laddning från flödet av katjoner - positivt laddade joner - om ingen spänning applicerades eftersom de attraherades till den negativt laddade membranytan.

Om olika spänningar däremot applicerades kunde denna prestanda justeras för att tillåta katjonflöde, till och med ge fullständig selektivitet för katjoner. Detta ledde till en sexfaldig ökning av den osmotiska energi effektiviteten.

'Genom att öka laddningstätheten på ytan av nanoporerna som utgör membranet, uppnådde vi en effekttäthet på 15 W/m2,' säger huvudförfattaren Tomoji Kawai. 'Detta är mycket uppmuntrande när det gäller att utveckla tekniken.'

Studiens resultat visar på potentialen för skalning av nanopormembran för vardaglig tillämpning. Det förhoppas att nanopor-osmotiska kraftgenereringssystem kommer att erbjuda ett sätt att föra in blå energi i mainstream för en mer hållbar energiframtid.

Tidskriftsinformation: ACS Nano

Tillhandahålls av Osaka University