Onderzoekers zeggen dat ze hebben ontdekt dat apparaten op nanoschaal die het hydro-elektrische effect benutten elektriciteit kunnen oogsten uit de verdamping van vloeistoffen met hogere ionenconcentraties dan gezuiverd water, waardoor een enorm onaangeboord energiepotentieel aan het licht komt.

Verdamping is een natuurlijk proces dat zo alomtegenwoordig is dat de meesten van ons het als vanzelfsprekend beschouwen. In feite is ongeveer de helft van de zonne-energie die de aarde bereikt de drijvende kracht achter verdampingsprocessen. Sinds 2017 werken onderzoekers aan het benutten van het energiepotentieel van verdamping via het hydrovoltaïsche (HV) effect, waardoor elektriciteit kan worden geoogst wanneer vloeistof over het geladen oppervlak van een apparaat op nanoschaal wordt geleid. Verdamping zorgt voor een continue stroom binnen nanokanalen in deze apparaten, die fungeren als passieve pompmechanismen. Dit effect is ook te zien in de microcapillairen van planten, waar watertransport plaatsvindt dankzij een combinatie van capillaire druk en natuurlijke verdamping.

Hoewel er momenteel hydrovoltaïsche apparaten bestaan, is er zeer weinig functioneel inzicht in de omstandigheden en fysieke verschijnselen die de productie van hoogspanningsenergie op nanoschaal beheersen. Het is een informatiekloof die Giulia Tagliabue, hoofd van het Laboratorium voor Nanowetenschappen voor Energietechnologie (LNET) aan de School of Engineering, en promovendus Tarique Anwar wilden opvullen. Ze maakten gebruik van een combinatie van experimenten en multifysische modellering om vloeistofstromen, ionenstromen en elektrostatische effecten als gevolg van interacties tussen vaste stoffen en vloeistoffen te karakteriseren, met als doel HV-apparaten te optimaliseren.

“Dankzij ons nieuwe, sterk gecontroleerde platform is dit de eerste studie die deze hydrovoltaïsche verschijnselen kwantificeert door de betekenis van verschillende grensvlakinteracties te benadrukken. Maar daarbij hebben we ook een belangrijke ontdekking gedaan: dat hydrovoltaïsche apparaten kunnen werken in een breed scala aan zoutgehalten, wat in tegenspraak is met het eerdere inzicht dat zeer gezuiverd water nodig was voor de beste prestaties”, zegt Tagliabue.

De LNET-studie is onlangs gepubliceerd in het Cell Press-tijdschrift Device.

Een onthullend multifysisch model
Het apparaat van de onderzoekers vertegenwoordigt de eerste hydrovoltaïsche toepassing van een techniek genaamd colloïdale lithografie in de nanosfeer, waarmee ze een hexagonaal netwerk van nauwkeurig op afstand geplaatste silicium nanopilaren konden creëren. De ruimtes tussen de nanopilaren creëerden de perfecte kanalen voor het verdampen van vloeistofmonsters, en konden nauwkeurig worden afgestemd om de effecten van vloeistofopsluiting en het vaste/vloeistof-contactgebied beter te begrijpen.

“In de meeste vloeibare systemen die zoutoplossingen bevatten, heb je een gelijk aantal positieve en negatieve ionen. Wanneer je de vloeistof echter opsluit tot een nanokanaal, blijven alleen ionen over met een polariteit die tegengesteld is aan die van de oppervlaktelading”, legt Anwar uit. “Dit betekent dat als je vloeistof door het nanokanaal laat stromen, je stroom en spanningen genereert.”

“Dit gaat terug op onze belangrijkste bevinding dat het chemische evenwicht voor de oppervlaktelading van het nanoapparaat kan worden benut om de werking van hydrovoltaïsche apparaten over het hele zoutgehalte uit te breiden”, voegt Tagliabue toe. “Inderdaad, naarmate de vloeibare ionenconcentratie toeneemt, neemt ook de oppervlaktelading van het nanoapparaat toe. Als gevolg hiervan kunnen we grotere vloeistofkanalen gebruiken terwijl we met vloeistoffen met een hogere concentratie werken. Dit maakt het makkelijker om apparaten te fabriceren voor gebruik met kraan- of zeewater, in tegenstelling tot alleen gezuiverd water.”

Water, overal water
Omdat verdamping continu kan plaatsvinden over een breed scala aan temperaturen en vochtigheidsgraden – en zelfs 's nachts – zijn er veel opwindende potentiële toepassingen voor efficiëntere HV-apparaten. De onderzoekers hopen dit potentieel te verkennen met de steun van een Swiss National Science Foundation Starting Grant, die tot doel heeft “een compleet nieuw paradigma te ontwikkelen voor de terugwinning van afvalwarmte en de opwekking van hernieuwbare energie op grote en kleine schaal”, inclusief een prototypemodule onder reële omstandigheden. -wereldomstandigheden aan het Meer van Genève.

En omdat HV-apparaten theoretisch overal kunnen worden gebruikt waar vloeistof is – of zelfs vocht, zoals zweet – kunnen ze ook worden gebruikt om sensoren van aangesloten apparaten van stroom te voorzien, van smart-tv’s tot gezondheids- en fitness-wearables. Met de expertise van LNET op het gebied van het oogsten en opslaan van lichte energie wil Tagliabue ook graag zien hoe licht en fotothermische effecten kunnen worden gebruikt om oppervlakteladingen en verdampingssnelheden in HV-systemen te beheersen.

Ten slotte zien de onderzoekers ook belangrijke synergieën tussen HV-systemen en de productie van schoon water.

“Natuurlijke verdamping wordt gebruikt om ontziltingsprocessen aan te drijven, omdat zoet water uit zout water kan worden gewonnen door de damp die door een verdampingsoppervlak wordt geproduceerd te condenseren. Nu kun je je voorstellen dat je een hoogspanningssysteem gebruikt om tegelijkertijd schoon water te produceren en elektriciteit te benutten”, aldus Anwar.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://envirotecmagazine.com/2024/03/12/nanodevices-can-produce-energy-from-evaporating-tap-or-seawater/