Onderzoekers construeren nanokanalen van grafeenoxide-nanobladen om osmotische energie van de oceaan te oogsten

Grafisch abstract. Credit: Tijdschrift van de American Chemical Society (2022). DOI: 10.1021/jacs.2c04663

Als je aan hernieuwbare energiebronnen denkt, denk je vaak als eerste aan de zon of de wind, maar hoe zit het met oceaanenergie?

De oceaan beslaat meer dan 70% van het aardoppervlak, wat een enorm potentieel biedt voor hernieuwbare en schone energie. Onderzoekers van het Institute for Frontier Materials (IFM) hopen dit potentieel te ontsluiten.

In een artikel gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society, IFM-onderzoekers hebben aangetoond hoe nieuwe geavanceerde tweedimensionale (2D) nanomateriaalmembraantechnologie processen voor het oogsten van blauwe energie kan verbeteren. Blauwe energie oogsten is een hernieuwbare energie die het verschil in zoutgehalte tussen rivierwater en zeewater gebruikt om elektriciteit op te wekken.

“Oceaanenergie bestaat uit vijf vormen: getijdenenergie, watergolven, oceaanstromingen, temperatuurgradiënten en zoutgradiëntenergie, en biedt een potentiële alternatieve, grenzeloze energiebron”, zegt universitair hoofddocent Weiwei Lei, die het project voor duurzame energieopwekking leidt bij IFM.

“Daarom heeft het oogsten van oceaanenergie door middel van kunstmatige apparaten enorme belangstelling gewekt. Met name zoutgradiëntenergie, ook wel ‘osmotische energie’ of ‘blauwe energie’ genoemd, biedt een belangrijke belofte voor de ontwikkeling van hernieuwbare energie.

“Het heeft een potentieel van 1 TW energie (8500 TW · h in een jaar), wat meer is dan de som van hydraulische, nucleaire, wind- en zonne-energie in 2015.

“Met de ontwikkeling van nanotechnologie en 2D-nanomaterialen werden nieuwe 2D-nanomaterialenmembranen met nanoporiën en nanokanalen ontworpen voor het oogsten van blauwe energie.

“De efficiëntie van het oogsten van energie van deze membranen is echter nog steeds te laag om te voldoen aan de eisen van praktische toepassingen vanwege hun hoge interne weerstand en lage selectiviteit van ionen.

“Nieuwe geavanceerde 2D nanomateriaalmembranen met nieuwe en robuuste eigenschappen zullen dit probleem, waar nu veel vraag naar is, oplossen.”

assoc. Prof. Lei en zijn teamleden introduceerden een strategie om de nanokanalen binnen de 2D-nanomateriaalmembranen te optimaliseren om meer energie te oogsten door grotere hoeveelheden water.

Om dit te doen, construeerden onderzoekers nanokanalen van grafeenoxide-nanosheets. De vellen worden chemisch geëxfolieerd, waarbij losse reactieve nanobladfragmenten, oxidatieve fragmenten genaamd, worden geschud die onder alkalische omstandigheden worden geladen. De negatief geladen kanalen trekken positieve ionen aan in zeewater. De osmotische druk kan dan de ionen door de kanalen “duwen” om een ​​netto stroom te creëren die kan worden geoogst.

Met deze benadering kan het membraan de wisselwerking overwinnen tussen permeabiliteit (hoe gemakkelijk de ionen door de kanalen kunnen bewegen) en selectiviteit (alleen positieve ionen aanmoedigen om door de kanalen te bewegen). Dit geeft Assoc. Prof. Lei’s membraan een boost in energieopwekking in vergelijking met grafeenoxidemembranen die niet zijn behandeld om negatief geladen nanobladfragmenten op te nemen.

Deze strategie verhoogde de energieopwekking tot een niveau dat een klein elektronisch apparaat van stroom zou kunnen voorzien.

“Dit betekent dat we meer energie kunnen oogsten door grote hoeveelheden water. Deze verhoogde energieopwekking is te danken aan de vergrote nanokanalen samen met de verbeterde lokale ladingsdichtheid van de losgemaakte oxidatieve fragmenten.”

De nieuwe strategie van membraanontwerp waarbij deze oxidatieve fragmenten worden gebruikt om de nanokanalen te versieren, biedt een alternatieve en gemakkelijke benadering voor veel toepassingen die de ionische ladingen kunnen benutten, zoals ionenuitwisseling.

assoc. Prof. Lei zegt dat dit onderzoek momenteel nog steeds beperkt is tot apparatuur van laboratoriumformaat, maar ze zijn van plan een grote faciliteit aan te schaffen om grote membranen en apparaten voor grootschalige toepassing te fabriceren.

“In de echte wereld denken we dat membranen kunnen worden geïnstalleerd in riviermondingen of bij uitgangen voor afvalwater van de industrie,” Assoc. zegt prof. Lei.

“Het afvalwater van fabrieken of de industrie heeft verschillende ladingsionen aan het oppervlak met een hogere concentratie dan gewoon water. Als we ons membraan aan het einde van hun proces kunnen plaatsen voordat het afvalwater natuurlijke waterwegen bereikt, kunnen we de energie oogsten en dat water ook behandelen.

“We zijn nu op zoek naar industriepartners die geïnteresseerd zijn in de ontwikkeling van nieuwe membraantechnologie voor duurzame energieopwekking.”