Wetenschappers zoeken naar manieren om de laagwaardige energie die wijd verspreid is in natuurlijke omgevingen te gebruiken om elektriciteit op te wekken. Een onderzoeksteam heeft een stroomgenerator gemaakt die de natuurlijke luchtvochtigheid opvangt en continue elektrische signalen produceert. Dit is de eerste vochtigheidsgenerator die is ontworpen met behulp van een materiaal van nanoformaat dat polyoxometalaten wordt genoemd. Het heeft het potentieel om een nieuwe onderzoeksrichting te zijn voor polyoxometalaten in het duurzame gebruik van laagwaardige energie.
Het werk van het team wordt gepubliceerd in Nano-onderzoek.
Het team trachtte het probleem van de discontinuïteit in de werking van energieconversie-apparaten op te lossen. Ze probeerden het tekort aan materialen voor energieopwekking met luchtvochtigheid en de beperkte ontwerpbare prestaties van materialen aan te pakken. “We wilden het conversieproces van luchtvochtigheidsenergie in elektrische energie begrijpen en de rol van polyoxometalaten bij de opwekking van luchtvochtigheid”, zegt Weilin Chen, professor aan de afdeling Scheikunde aan de Northeast Normal University.
Polyoxometalaten, bekend als POM’s, hebben speciale morfologie en functionele eigenschappen, waardoor ze zeer nuttig zijn bij beheersbare synthese, assemblage en prestatieonderzoek. Ze zijn een veelzijdige klasse van anorganische moleculaire materialen. POM-nanomaterialen kunnen zichzelf assembleren om microporeuze structuren te vormen die in staat zijn om luchtvochtigheid op te vangen.
Ze zijn ook milieuvriendelijk, met een grote stabiliteit in licht, hitte en chemische omgevingen. Wetenschappers verwachten dat POM-nanomaterialen de materialen zijn met het potentieel om de luchtvochtigheid effectief te benutten.
Het team construeerde POM’s in organische ammonium-polyoxoanion-clusters. De clusters werden geassembleerd tot dunne-film stroomgeneratoren met kleine poriën van nanoformaat, microporiën genaamd, die in staat zijn om te werken in luchtvochtigheid. Hun piepkleine POM-generator produceerde een spanning van 0,68 V, was stabiel en werkte continu onder bijna volledig natuurlijke omgevingen, met een luchtvochtigheid van 10 procent tot 90 procent.
De POM-generator voor luchtvochtigheid werkt omdat de POM-nanoclusters spontaan luchtvochtigheid absorberen met de microporiën in POM-nanodraadfilms. Ze vormen een verdelingsgradiënt van water dat de structurele basis vormt van energieopwekking. De POM-generator heeft bewezen een hoge stabiliteit en continue stroomopwekking te hebben.
Het team stelde vast dat de POM-stroomgenerator effectief de natuurlijke luchtvochtigheid kan opvangen en continue elektrische signalen kan produceren door de ongelijke verdeling en gerichte beweging van ionen. Dit werk biedt nieuwe ideeën voor het continue gebruik van laagwaardige energie en een nieuwe onderzoekshoek voor polyoxometalaatchemie.
Er is een dringende behoefte aan de ontwikkeling van een continue laagwaardige energie in een natuurlijke omgeving. In eerder onderzoek hebben wetenschappers apparaten gemaakt die energie van lage waarde verzamelen en gebruiken. Maar deze apparaten zijn beperkt omdat laagwaardige energie intermitterend en onstabiel is. In de afgelopen jaren hebben wetenschappers vooruitgang geboekt bij het gebruik van energie uit de luchtvochtigheid. Maar de POM-generator van het team is de eerste vochtigheidsgenerator die continu stroom produceert.
Deze POM-generator heeft veel potentiële toepassingen, zoals de detectie van menselijke ademhalingsprocessen; de detectie, registratie en alarmering van omgevingsvochtigheid; de integratie met elektrische apparaten om een continue stroomvoorziening van apparatuur te bereiken; en voldoen aan de elektriciteitsbehoeften van meerdere scenario’s.
“De belangrijkste boodschap is dat continue stroomopwekking met behulp van luchtvochtigheid is bereikt door het ontwerp en de aanpassing van POM’s nanomaterialen, en het mechanisme van luchtvochtigheid opwekking is diep begrepen door gebruik te maken van de kenmerken van POM’s nanomaterialen, ” zei Chen.
Vooruitkijkend hoopt het team de efficiëntie van energieopwekking door luchtvochtigheid te verbeteren door materialen te screenen en te optimaliseren. Ze willen een beter begrip krijgen van het energieopwekkingsproces met luchtvochtigheid.
“Het uiteindelijke doel is het bereiken van het efficiënte gebruik van vochtigheidsgeneratoren om duurzame ontwikkeling van energie en het milieu te bevorderen door het mechanisme te onderzoeken dat de efficiëntie van de vochtigheidsgenerator optimaliseert”, zei Chen.
Meer informatie:
Tuo Ji et al, Polyoxometalaten voor continue stroomopwekking door luchtvochtigheid, Nano-onderzoek (2023). DOI: 10.1007/s12274-023-5959-5
Tijdschrift informatie:
Nano-onderzoek
Aangeboden door Tsinghua University Press