使用光和渗透在河口生产电力

研究人员正在开发一种利用渗透能的技术 - 这是河口自然可以获得的能量来源，淡水与海水接触。在实验室实验中，该团队重现了河流与海洋相遇的现实条件(pH值和盐浓度)，并表明，通过在包含盐，水和三原子厚度的膜的系统上发光，有可能优化电力生产。大多数可再生能源技术都依赖天气。风电场只能在微风时运行，太阳能发电厂依靠阳光。EPFL的研究人员正致力于研究一种捕获河口不断出现的能源的方法：渗透力，也称为蓝色能量。

渗透是一种自然过程，其中分子通过半透膜从浓缩溶液迁移到更稀溶液，以平衡浓度。在河口，带电的盐离子从咸海水流到新鲜的河水。这个想法是利用这种现象来发电。

来自EPFL的纳米生物学实验室(LBEN)的研究人员表示，使用光可以优化利用渗透作用生产使用渗透力的纳米生物学实验室(LBEN)。再现了河口发生的条件，他们将光照在水，盐和三个原子厚度的膜上，以产生更多的电力。在光的作用下，系统产生的功率是黑暗中的两倍。他们的研究结果发表于焦耳。

在2016年的一篇论文中，来自LBEN的一个团队首次表明2D膜代表了渗透力生产的潜在革命。但当时，实验并未使用真实世界的条件(见插图)。

增加光线意味着该技术已经向实际应用迈进了一步。该系统包括两个充满液体的隔室，盐浓度明显不同，由二硫化钼(MoS2)膜隔开。在膜的中间是一个纳米孔 - 一个直径在3到10纳米(百万分之一毫米)之间的小孔。

每当盐离子从高浓度溶液通过空穴进入低浓度溶液时，电子就会转移到电极上，从而产生电流。

系统的发电潜力取决于许多因素 - 尤其是膜本身，为了产生最大电流，膜本身需要很薄。纳米孔还必须具有选择性，以在两种液体之间产生电位差(电压)，就像在传统电池中一样。纳米孔允许带正电的离子通过，同时推开大部分带负电的离子。

该系统非常平衡。纳米孔和膜必须是高度带电的，并且需要多个相同尺寸的纳米孔，这是技术上具有挑战性的过程。

研究人员通过使用低强度激光同时解决了这两个问题。光释放嵌入的电子并使它们积聚在膜的表面，这增加了材料的表面电荷。结果，纳米孔更具选择性并且电流增加。

“总的来说，这两种效应意味着我们不必太担心纳米孔的大小，”LBEN研究员Martina Lihter解释道。“这对于大规模生产这项技术来说是个好消息，因为这些孔不一定是完美和均匀的。”

根据研究人员的说法，可以使用镜子和镜头系统将这种光引导到河口河口的膜上。类似的系统用于太阳能集热器和聚光器 - 这种技术已广泛应用于光伏领域。“从本质上讲，该系统可以日夜产生渗透力，”该论文的第一作者迈克尔格拉夫解释道。“在白天，产量将增加一倍。”

研究人员现在将通过探索扩大膜生产的可能性，解决一系列挑战(如最佳孔密度)来开展工作。在将该技术用于实际应用之前，还有许多工作要做。例如，超薄膜需要机械稳定。这可以通过使用包含致密阵列的氮化硅膜的硅晶片来完成，其易于制造且便宜。

由LBEN领导的这项研究是作为两个EPFL实验室(LANES和LBEN)与伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校电气和计算机工程系研究人员合作的一部分进行的。

早在2016年，LBEN的研究人员就报告说，他们第一次在二维膜上产生渗透力，仅测量三个原子厚度。该实验是一个重要的证明，纳米材料可能确实代表了这一领域的一场革命，直接应用设想为可再生能源和小型，便携式能源。

当时，为了实现高发电量，研究人员不得不在碱性环境中运行，其pH值很高，远远低于河口的水平。需要高pH来增加MoS 2的表面电荷并改善渗透功率输出。

这一次，研究人员发现光可以发挥作用，使其能够在真实条件下运行，而不是使用化学处理。