Нанофлюидное устройство генерирует энергию из соленой воды

Нанофлюидное устройство генерирует мощность с соленой водой.Кредит: Инженерный колледж Грейнджера в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн

Команда исследователей из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн сообщила о дизайне для нанофлюидного устройства, способного преобразовать ионный поток в полезную электроэнергию в журнале Nano Energy.Команда считает, что их устройство может быть использовано для извлечения энергии из естественных ионных потоков на границах морской воды.

«Несмотря на то, что наш дизайн по-прежнему является концепцией на данном этапе, он довольно универсален и уже демонстрирует высокий потенциал для энергетических приложений»,-сказал Жан-Пьер Лебертон, U. I. Professor of Electrical & Computer Engineering и руководитель проекта.«Это началось с академического вопроса-может может быть наноразмерное твердотельное извлечение энергии от ионного потока?»-но наш дизайн превзошел наши ожидания и удивил нас во многих отношениях ».

Когда встречаются два тела воды с различной соленостью, например, где река впадает в океан, молекулы соли естественным образом текут от более высокой концентрации до более низкой концентрации.Энергия этих потоков может быть собрана, потому что они состоят из электрически заряженных частиц, называемых ионами, которые образуются из растворенной соли.

Группа Лебертона разработала наноразмерное полупроводниковое устройство, которое использует преимущество явления, называемого «кулоновским сопротивлением» между протекающими ионами и электрическими зарядами в устройстве.Когда ионы протекают через узкий канал в устройстве, электрические силы заставляют заряды устройства перемещаться с одной стороны на другую, создавая напряжение и электрический ток.

Исследователи нашли два удивительных поведения, когда они смоделировали свое устройство.Во -первых, хотя они ожидали, что кулоновское сопротивление будет в основном произойти через силу притяжения между противоположными электрическими зарядами, моделирование указало, что устройство работает одинаково хорошо, если электрические силы отталкивают.Оба положительно и отрицательно заряженные ионы способствуют сопротивлению.

«Точно так же, как примечательно, наше исследование показывает, что существует эффект усиления», - сказал Мингье Сионг, аспирант в группе Лебертона, и ведущего автора исследования.«Поскольку движущиеся ионы настолько массивны по сравнению с зарядами устройства, ионы придают большое количество импульсов, усиливая базовый ток».

Исследователи также обнаружили, что эти эффекты не зависят от конкретной конфигурации канала, а также от выбора материалов, при условии, что диаметр канала достаточно узкий, чтобы обеспечить близость между ионами и зарядами.

Исследователи находятся в процессе патентования своих выводов, и они изучают, как массивы этих устройств могут масштабироваться для практической выработки электроэнергии.

«Мы считаем, что плотность мощности массива устройств может соответствовать или превышать плотность солнечных элементов», - сказал Лебутон.«И это не говоря уже о потенциальных приложениях в других областях, таких как биомедицинское зондирование и нанофлюдика».

Статья исследователей «Ионовое кулоновское сопротивление в нанофлюидных полупроводниковых каналах для сбора энергии» доступна в Интернете.Kewei Song также внесла свой вклад в эту работу.

Больше информации: Mingye Xiong et al., Ионовое кулоновское сопротивление в нанофлюидных полупроводниковых каналах для сбора энергии, энергии Nano (2023).Doi: 10.1016/j.nanoen.2023.108860