Исследователи из Лаборатории наноразмерной биологии EPFL разработали систему осмотического производства энергии, которая обеспечивает невиданный ранее урожай. Их инновация заключается в мембране толщиной в три атома, используемой для разделения двух жидкостей. Результаты их исследований опубликованы в журнале Nature.
Концепция довольно проста. Полупроницаемая мембрана разделяет две жидкости с разной концентрацией солей. Ионы соли проходят через мембрану, пока концентрации соли в двух жидкостях не достигнут равновесия. Это явление и есть осмос.
Если система используется с морской водой и пресной водой, ионы соли в морской воде проходят через мембрану в пресную воду до тех пор, пока обе жидкости не будут иметь одинаковую концентрацию соли. А поскольку ион — это просто атом с электрическим зарядом, движение ионов соли можно использовать для выработки электричества.Селективная мембрана толщиной 3 атома, которая выполняет свою работуСистема EPFL состоит из двух заполненных жидкостью отсеков, разделенных тонкой мембраной из дисульфида молибдена.
Мембрана имеет крошечное отверстие или нанопору, через которую ионы морской воды проходят в пресную воду до тех пор, пока концентрации солей в двух жидкостях не станут равными. Когда ионы проходят через нанопору, их электроны переносятся на электрод, который используется для генерации электрического тока.Благодаря своим свойствам мембрана пропускает положительно заряженные ионы, отталкивая при этом большую часть отрицательно заряженных. Это создает напряжение между двумя жидкостями, поскольку одна создает положительный заряд, а другая — отрицательный.
Это напряжение заставляет течь ток, генерируемый переносом ионов.«Нам пришлось сначала изготовить, а затем исследовать оптимальный размер нанопоры. Если она слишком велика, отрицательные ионы могут проходить сквозь нее, и результирующее напряжение будет слишком низким. будь слишком слабым », — сказал Цзяндун Фэн, ведущий автор исследования.Что отличает систему EPFL, так это ее мембрана.
В системах такого типа ток увеличивается с более тонкой мембраной. А толщина мембраны EPFL составляет всего несколько атомов. Материал, из которого он сделан — дисульфид молибдена — идеально подходит для создания осмотического тока. «Двумерный материал впервые был использован для такого типа приложений», — сказала Александра Раденович, руководитель лаборатории наноразмерной биологии.Питание 50 000 энергосберегающих лампочек с мембраной площадью 1 м2
Потенциал новой системы огромен. По их расчетам, 1м?
Мембрана, 30% поверхности которой покрыто нанопорами, должна быть способна производить 1 МВт электроэнергии — или достаточно для питания 50 000 стандартных энергосберегающих лампочек. А поскольку дисульфид молибдена (MoS2) легко найти в природе или может быть выращен путем химического осаждения из паровой фазы, систему можно было бы расширить для крупномасштабного производства электроэнергии.
Основная проблема в увеличении масштабов этого процесса — выяснить, как сделать поры относительно однородными.До сих пор исследователи работали над мембраной с одной нанопорой, чтобы точно понять, что происходит. «С инженерной точки зрения система с одиночными нанопорами идеально подходит для углубления нашего фундаментального понимания мембранных процессов и предоставления полезной информации для коммерциализации на промышленном уровне», — сказал Цзяндун Фэн.
Исследователи смогли запустить нанотранзистор из тока, генерируемого одной нанопорой, и таким образом продемонстрировали автономную наносистему. Однослойные транзисторы MoS2 с низким энергопотреблением были изготовлены в сотрудничестве с командой Андреаса Киса в EPFL, а моделирование молекулярной динамики было выполнено сотрудниками Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.
Использование потенциала лимановИсследования EPFL являются частью растущей тенденции.
В течение последних нескольких лет ученые всего мира разрабатывали системы, использующие осмотическую силу для создания электричества. В таких местах, как Норвегия, Нидерланды, Япония и США, возникли пилотные проекты по выработке энергии в устьях рек, впадающих в море.
На данный момент мембраны, используемые в большинстве систем, являются органическими, хрупкими и обеспечивают низкий выход. Некоторые системы используют движение воды, а не ионов, для питания турбин, которые, в свою очередь, производят электричество.Когда системы станут более надежными, осмотическая энергия может сыграть важную роль в производстве возобновляемой энергии.
В то время как солнечные панели требуют достаточного количества солнечного света, а ветровые турбины — ветряной энергии, осмотическая энергия может производиться практически в любое время дня и ночи — при условии, что поблизости есть устье реки.