Blå energi har potential att tillhandahålla ett hållbart alternativ till fossila bränslen. Enkelt uttryckt handlar det om att ta tillvara den energi som produceras när jonerna i en saltlösning går från höga till låga koncentrationer.

Ett team inklusive forskare från Osaka University har undersökt effekten av spänning på passage av joner genom ett nanopormembran för att visa större kontroll över processen.

I en studie som nyligen publicerades i ACS Nano forskarna tittade på att skräddarsy flödet av joner genom samlingen av nanoporer som utgör deras membran, och hur denna kontroll skulle kunna göra tillämpning av tekniken i stor skala till verklighet.

Om membranen är gjorda av ett laddat material kan nanoporer orsaka att en ström flyter genom dem genom att attrahera lösningjoner med motsatt laddning. Jonerna med samma laddning kan sedan röra sig genom poren och generera strömmen. Detta betyder att pormaterialet är mycket viktigt och att välja det har varit medlet för att kontrollera flödet och strömmen hittills.

Att producera exakt samma porstrukturer i en rad olika material för att förstå deras jämförande prestanda är dock en utmaning. Forskarna bestämde sig därför för att undersöka ett annat sätt att skräddarsy flödet av joner över nanoporemembran.

"Istället för att helt enkelt använda den grundläggande ytladdningen av vårt membran för att diktera flödet, tittade vi på vad som händer när spänningar appliceras", förklarar studiens huvudförfattare Makusu Tsutsui. "Vi använde en grindelektrod inbäddad över membranet för att styra fältet genom spänning på ett liknande sätt som hur halvledartransistorer fungerar i konventionella kretsar."

Forskarna fann att utan spänning pålagd fanns det ingen laddning som genererades av flödet av katjoner – positivt laddade joner – eftersom de attraherades till den negativt laddade membranytan.

Men om olika spänningar applicerades skulle denna prestanda kunna ställas in för att tillåta katjoner att flöda, till och med ge fullständig selektivitet för katjoner. Detta ledde till en sexfaldig ökning av den osmotiska energieffektiviteten.

"Genom att öka laddningstätheten vid ytan av nanoporerna som utgör membranet, uppnådde vi en effekttäthet på 15 W/m ² ", säger seniorförfattaren Tomoji Kawai. "Detta är mycket uppmuntrande när det gäller att utveckla tekniken."

Studiens resultat avslöjar potentialen för skalning av nanoporemembran för daglig användning. Förhoppningen är att nanopore osmotiska kraftgeneratorer ska ge ett sätt att föra blå energi till mainstream för en mer hållbar energiframtid.