De meeste hernieuwbare energietechnologieën zijn weersafhankelijk. Windparken kunnen alleen werken als er een briesje is, en zonne-energiecentrales zijn afhankelijk van zonlicht. Onderzoekers van EPFL werken aan een methode om een ​​energiebron op te vangen die constant beschikbaar is in riviermondingen:osmotische kracht, ook wel blauwe energie genoemd.

Osmose is een natuurlijk proces waarbij moleculen migreren van een geconcentreerde naar een meer verdunde oplossing over een semi-permeabel membraan om de concentraties in evenwicht te brengen. Bij riviermondingen, elektrisch geladen zoutionen verplaatsen zich van het zoute zeewater naar het zoete rivierwater. Het idee is om dit fenomeen te benutten om stroom op te wekken.

Onderzoekers van EPFL's Laboratory of Nanoscale Biology (LBEN), die wordt geleid door professor Aleksandra Radenovic aan de School of Engineering, hebben aangetoond dat de productie van stroom met osmose geoptimaliseerd kan worden met licht. Het reproduceren van de omstandigheden die zich voordoen in estuaria, ze schenen licht op een systeem dat water combineert, zout en een membraan van slechts drie atomen dik om meer elektriciteit op te wekken. Onder invloed van licht, het systeem produceert twee keer zoveel stroom als in het donker. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Joule .

In een document uit 2016, een team van de LBEN toonde voor het eerst aan dat 2D-membranen een potentiële revolutie in de productie van osmotische energie vertegenwoordigden. Maar destijds, het experiment maakte geen gebruik van real-world omstandigheden.

Ionen die door een nanoporie gaan

Door de toevoeging van licht is de technologie een stap dichter bij de toepassing in de echte wereld gekomen. Het systeem omvat twee met vloeistof gevulde compartimenten, bij duidelijk verschillende zoutconcentraties, gescheiden door een molybdeendisulfide (MoS2) membraan. In het midden van het membraan bevindt zich een nanoporie - een klein gaatje met een diameter van drie tot tien nanometer (een miljoenste van een millimeter).

Elke keer dat een zoution door het gat gaat van de oplossing met een hoge naar de lage concentratie, een elektron wordt overgebracht naar een elektrode, die een elektrische stroom opwekt.

Het stroomopwekkingspotentieel van het systeem hangt af van een aantal factoren, niet in de laatste plaats het membraan zelf, die dun moet zijn om maximale stroom te genereren. De nanoporie moet ook selectief zijn om een ​​potentiaalverschil (een spanning) tussen de twee vloeistoffen te creëren, net als bij een conventionele batterij. De nanoporie laat positief geladen ionen door, terwijl het wegduwen van de meeste negatief geladen degenen.

Het systeem is fijn uitgebalanceerd. De nanoporie en het membraan moeten sterk geladen zijn, en er zijn meerdere identieke nanoporiën nodig, wat een technisch uitdagend proces is.

De kracht van zonlicht benutten

De onderzoekers losten deze twee problemen tegelijkertijd op door laserlicht met een lage intensiteit te gebruiken. Licht maakt ingebedde elektronen vrij en zorgt ervoor dat ze zich ophopen aan het oppervlak van het membraan, waardoor de oppervlaktelading van het materiaal toeneemt. Als resultaat, de nanoporie is selectiever en de stroomsterkte neemt toe.

"Bij elkaar genomen, door deze twee effecten hoeven we ons niet zo druk te maken over de grootte van de nanoporiën, " legt Martina Lichter uit, een onderzoeker bij het LBEN. "Dat is goed nieuws voor grootschalige productie van de technologie, omdat de gaten niet perfect en uniform hoeven te zijn."

Volgens de onderzoekers is een systeem van spiegels en lenzen zou kunnen worden gebruikt om dit licht op de membranen bij riviermondingen te richten. Vergelijkbare systemen worden gebruikt in zonnecollectoren en concentrators - een technologie die al veel wordt gebruikt in fotovoltaïsche energie. "Eigenlijk, het systeem kan dag en nacht osmotische kracht genereren, " legt Michael Graf uit, de hoofdauteur van het artikel. "De output zou overdag verdubbelen."

Volgende stap

Onderzoekers zullen nu hun werk voortzetten door mogelijkheden te onderzoeken om de productie van het membraan op te schalen, het aanpakken van een reeks uitdagingen, zoals optimale poriedichtheid. Er is nog veel werk te doen voordat de technologie kan worden gebruikt voor toepassingen in de echte wereld. Bijvoorbeeld, het ultradunne membraan moet mechanisch worden gestabiliseerd. Dit kan worden gedaan door een siliciumwafel te gebruiken die een dichte reeks siliciumnitridemembranen bevat, die gemakkelijk en goedkoop te vervaardigen zijn.

Dit onderzoek, onder leiding van LBEN, wordt uitgevoerd als onderdeel van een samenwerking tussen twee EPFL-labs (LANES en LBEN) en onderzoekers van de afdeling Electrical and Computer Engineering, Universiteit van Illinois Urbana-Champaign.

Terug in 2016, onderzoekers van het LBEN meldden dat, Voor de eerste keer, ze hadden osmotische kracht geproduceerd over 2D-membranen van slechts drie atomen dik. Het experiment was een belangrijke demonstratie dat nanomaterialen inderdaad een revolutie kunnen betekenen op dit gebied, met directe toepassing voorzien voor hernieuwbare energie en kleine, draagbare energiebronnen.

Destijds, om een ​​hoge stroomopwekking te bereiken, de onderzoekers moesten opereren in een alkalische omgeving, met hoge pH-waarden die ver verwijderd zijn van de waarden die in estuaria worden gevonden. Een hoge pH was nodig om de oppervlaktelading van de MoS2 te verhogen en de osmotische vermogensoutput te verbeteren.

Deze keer, in plaats van chemische behandelingen te gebruiken, ontdekten de onderzoekers dat licht die rol zou kunnen spelen, waardoor ze kunnen werken in reële omstandigheden.