Рідка блискавка: нанотехнологія відкриває нову енергію

Дослідники EPFL виявили, що нанорозмірні пристрої, які використовують гідроелектричний ефект, можуть збирати електроенергію від випаровування рідин з більшою концентрацією іонів, ніж очищена вода, розкриваючи величезний невикористаний енергетичний потенціал.

Випаровування є природним процесом, настільки поширеним, що більшість із нас сприймає його як належне. Фактично, приблизно половина сонячної енергії, яка досягає Землі, призводить до процесів випаровування. З 2017 року дослідники працюють над використанням енергетичного потенціалу випаровування за допомогою гідровольтаїчного (HV) ефекту, який дозволяє збирати електроенергію, коли рідина пропускається через заряджену поверхню нанорозмірного пристрою. Випаровування створює безперервний потік усередині наноканалів усередині цих пристроїв, які діють як пасивні насосні механізми. Цей ефект також спостерігається в мікрокапілярах рослин, де транспорт води відбувається завдяки поєднанню капілярного тиску та природного випаровування.

Хоча гідроелектричні пристрої в цей час існують, існує дуже мало функціонального розуміння умов і фізичних явищ, які керують виробництвом високовольтної енергії на нанорозмірі. Цю інформаційну прогалину хотіли заповнити Джулія Тальябуе, керівник Лабораторії нанонауки для енергетичних технологій (LNET) Інженерної школи, і докторант Тарік Анвар. Вони використали комбінацію експериментів і мультифізичного моделювання, щоб охарактеризувати потоки рідини, потоки іонів і електростатичні ефекти внаслідок взаємодії твердого тіла з рідиною з метою оптимізації високовольтних пристроїв.

«Завдяки нашій новітній висококонтрольованій платформі це перше дослідження, яке кількісно визначає ці гідроелектричні явища, підкреслюючи важливість різних міжфазних взаємодій. Але в процесі ми також зробили важливий висновок: гідроелектричні пристрої можуть працювати в широкому діапазоні солоності, що суперечить попередньому розумінню того, що для найкращої роботи потрібна високоочищена вода», — говорить Тальябуе.

Дослідження LNET нещодавно було опубліковано в журналі Cell Press Device.

Розкриваюча мультифізична модель

Пристрій дослідників являє собою перше гідроелектричне застосування техніки під назвою наносферна колоїдна літографія, яка дозволила їм створити гексагональну мережу точно розташованих кремнієвих наностолбів. Проміжки між наноколонками створювали ідеальні канали для випаровування зразків рідини, і їх можна було точно налаштувати, щоб краще зрозуміти вплив утримання рідини та зони контакту між твердою та рідиною.

«У більшості рідинних систем, що містять сольові розчини, ви маєте однакову кількість позитивних і негативних іонів. Однак, коли ви обмежите рідину наноканалом, залишаться лише іони з полярністю, протилежною полярності поверхневого заряду», — пояснює Анвар. «Це означає, що якщо ви дозволите рідині протікати через наноканал, ви будете генерувати струм і напругу».

«Це сходить до нашого головного висновку про те, що хімічну рівновагу поверхневого заряду нанопристрою можна використати для розширення роботи гідроелектричних пристроїв за шкалою солоності», — додає Тальябуе. «Справді, зі збільшенням концентрації іонів рідини зростає і заряд поверхні нанопристрою. У результаті ми можемо використовувати більші канали для рідини під час роботи з рідинами з більшою концентрацією. Це полегшує виготовлення пристроїв для використання з водопровідною або морською водою, а не лише з очищеною водою».

Вода, вода всюди

Оскільки випаровування може відбуватися безперервно в широкому діапазоні температур і вологості – і навіть вночі – існує багато захоплюючих потенційних застосувань для більш ефективних високовольтних пристроїв. Дослідники сподіваються дослідити цей потенціал за підтримки початкового гранту Швейцарського національного наукового фонду, метою якого є розробка «абсолютно нової парадигми утилізації відпрацьованого тепла та виробництва відновлюваної енергії у великих і малих масштабах», включаючи прототип модуля під реальними умовами. -світові умови на Женевському озері.

І оскільки пристрої HV теоретично можна використовувати будь-де, де є рідина або навіть волога, як піт, їх також можна використовувати для живлення датчиків підключених пристроїв, від смарт-телевізорів до носіїв для здоров’я та фітнесу. Завдяки досвіду LNET у системах збору та зберігання енергії світла, Тальябу також хоче побачити, як можна використовувати світлові та фототермічні ефекти для контролю поверхневих зарядів і швидкості випаровування в системах ВН.

Нарешті, дослідники також бачать важливу синергію між системами HV та виробництвом чистої води.

«Природне випаровування використовується для керування процесами опріснення, оскільки прісна вода може бути зібрана з солоної шляхом конденсації пари, що утворюється поверхнею випаровування. Тепер ви можете уявити собі використання високовольтної системи для виробництва чистої води та використання електроенергії одночасно», — пояснює Анвар.