Avdunstning är en naturlig process som är så allestädes närvarande att de flesta av oss tar det för givet. Faktum är att ungefär hälften av solenergin som når jorden driver förångningsprocesser. Sedan 2017 har forskare arbetat med att utnyttja energipotentialen för avdunstning via den hydrovoltaiska (HV) effekten, som gör att elektricitet kan skördas när vätska passerar över den laddade ytan av en nanoskala enhet.
Avdunstning etablerar ett kontinuerligt flöde i nanokanaler inuti dessa enheter, som fungerar som passiva pumpmekanismer. Denna effekt ses även i växternas mikrokapillärer, där vattentransport sker tack vare en kombination av kapillärtryck och naturlig avdunstning.
Även om hydrovoltaiska enheter för närvarande finns, finns det mycket liten funktionell förståelse för de förhållanden och fysiska fenomen som styr HV-energiproduktionen på nanoskala. Det är en informationslucka som Giulia Tagliabue, chef för Laboratory of Nanoscience for Energy Technology (LNET) i School of Engineering, och Ph.D. studenten Tarique Anwar ville fylla.
De utnyttjade en kombination av experiment och multifysisk modellering för att karakterisera vätskeflöden, jonflöden och elektrostatiska effekter på grund av fast-vätskeinteraktioner, med målet att optimera HV-enheter.
"Tack vare vår nya, mycket kontrollerade plattform är detta den första studien som kvantifierar dessa hydrovoltaiska fenomen genom att lyfta fram betydelsen av olika gränssnittsinteraktioner. Men i processen gjorde vi också ett stort fynd:att hydrovoltaiska enheter kan fungera över ett brett spektrum av salthalter, vilket motsäger tidigare insikter om att högrenat vatten krävdes för bästa prestanda", säger Tagliabue.
LNET-studien har nyligen publicerats i Device .
Forskarnas enhet representerar den första hydrovoltaiska tillämpningen av en teknik som kallas kolloidal litografi i nanosfären, som gjorde det möjligt för dem att skapa ett sexkantigt nätverk av exakt åtskilda nanopelare av kisel. Utrymmet mellan nanopelarna skapade de perfekta kanalerna för att förånga vätskeprover och kunde finjusteras för att bättre förstå effekterna av vätskeinneslutning och kontaktytan mellan fast och vätska.
"I de flesta fluidsystem som innehåller saltlösningar har du lika många positiva och negativa joner. Men när du begränsar vätskan till en nanokanal kommer bara joner med en polaritet motsatt den för ytladdningen att finnas kvar," förklarar Anwar. "Detta betyder att om du låter vätska flöda genom nanokanalen kommer du att generera ström och spänningar."
"Detta går tillbaka till vår stora upptäckt att den kemiska jämvikten för ytladdningen av nanoenheten kan utnyttjas för att utöka driften av hydrovoltaiska enheter över salthaltsskalan", tillägger Tagliabue.
"Faktiskt, när koncentrationen av flytande joner ökar, ökar också nanoenhetens ytladdning. Som ett resultat kan vi använda större vätskekanaler samtidigt som vi arbetar med vätskor med högre koncentration. Detta gör det lättare att tillverka enheter för användning med kran- eller havsvatten , i motsats till endast renat vatten."
Eftersom avdunstning kan ske kontinuerligt över ett brett område av temperaturer och fuktighet – och även på natten – finns det många spännande potentiella tillämpningar för effektivare HV-enheter.
Forskarna hoppas kunna utforska denna potential med stöd av ett Swiss National Science Foundation Starting Grant, som syftar till att utveckla "ett helt nytt paradigm för återvinning av spillvärme och förnybar energigenerering i stor och liten skala", inklusive en prototypmodul under verklig -världsförhållanden vid Genèvesjön.
Och eftersom HV-enheter teoretiskt sett skulle kunna användas var som helst där det finns vätska – eller till och med fukt, som svett – kan de också användas för att driva sensorer för anslutna enheter, från smarta TV-apparater till hälso- och träningskläder. Med LNET:s expertis inom ljusenergiskörd och lagringssystem är Tagliabue också angelägen om att se hur ljus och fototermiska effekter kan användas för att kontrollera ytladdningar och förångningshastigheter i HV-system.
Slutligen ser forskarna också viktiga synergier mellan HV-system och generering av rent vatten.
"Naturlig avdunstning används för att driva avsaltningsprocesser, eftersom färskvatten kan skördas från saltvatten genom att kondensera ångan som produceras av en förångningsyta. Nu skulle du kunna tänka dig att använda ett HV-system både för att producera rent vatten och utnyttja elektricitet på samma gång, " förklarar Anwar.
Mer information: Tarique Anwar et al, Salinitetsberoende gränssnittsfenomen mot hydrovoltaisk enhetsoptimering, Enhet (2024). DOI:10.1016/j.device.2024.100287
Journalinformation: Enhet
Tillhandahålls av Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
