Nanodevices kunnen energie produceren uit verdampend kraan- of zeewater

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 Ph.D. student Tarique Anwar wilde invullen.

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, zeer 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 bevinding gedaan: dat hydrovoltaïsche apparaten over een breed bereik kunnen werken van het zoutgehalte, wat in tegenspraak is met het eerdere inzicht dat sterk gezuiverd water nodig was voor de beste prestaties”, zegt Tagliabue.

Het LNET-onderzoek heeft dat gedaan onlangs gepubliceerd in Apparaat.

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 uit te breiden over de schaal van het zoutgehalte”, 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 gemakkelijker 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 sturen, omdat zoet water kan worden gewonnen uit zout water door de damp te condenseren die wordt geproduceerd door een verdampingsoppervlak. Je kunt je nu voorstellen dat je een hoogspanningssysteem gebruikt om tegelijkertijd schoon water te produceren en elektriciteit te benutten. ‘ legt Anwar uit.