Blaue Energie hat das Potenzial, eine nachhaltige Alternative zu fossilen Brennstoffen zu bieten. Vereinfacht ausgedrückt geht es dabei darum, die Energie zu nutzen, die entsteht, wenn sich die Ionen in einer Salzlösung von hohen zu niedrigen Konzentrationen bewegen.
Ein Team, zu dem auch Forscher der Universität Osaka gehören, hat die Auswirkung von Spannung auf den Durchgang von Ionen durch eine Nanoporenmembran untersucht, um eine bessere Kontrolle des Prozesses zu demonstrieren.
In einer kürzlich durchgeführten Studie veröffentlicht In ACS Nano Die Forscher untersuchten, wie sich der Ionenfluss durch die Anordnung der Nanoporen, aus denen ihre Membran besteht, gezielt steuern lässt und wie sich mit dieser Steuerung eine Anwendung der Technologie im großen Maßstab realisieren lässt.
Wenn die Membranen aus einem geladenen Material bestehen, können Nanoporen einen Stromfluss durch sie erzeugen, indem sie Lösungsionen mit entgegengesetzter Ladung anziehen. Die Ionen mit der gleichen Ladung können sich dann durch die Pore bewegen und den Strom erzeugen. Das bedeutet, dass das Porenmaterial sehr wichtig ist und seine Auswahl bisher das Mittel zur Steuerung von Fluss und Strom war.
Es ist jedoch eine Herausforderung, in einer Reihe verschiedener Materialien genau dieselben Porenstrukturen herzustellen, um ihre Leistungsfähigkeit zu vergleichen. Die Forscher beschlossen daher, eine andere Möglichkeit zu untersuchen, den Ionenfluss durch Nanoporenmembranen anzupassen.
„Anstatt einfach die grundlegende Oberflächenladung unserer Membran zu verwenden, um den Fluss zu bestimmen, haben wir uns angesehen, was passiert, wenn Spannungen angelegt werden“, erklärt der leitende Autor der Studie, Makusu Tsutsui. „Wir haben eine Gate-Elektrode verwendet, die quer über die Membran eingebettet ist, um das Feld durch Spannung zu steuern, ähnlich wie Halbleitertransistoren in herkömmlichen Schaltkreisen funktionieren.“
Die Forscher stellten fest, dass ohne angelegte Spannung durch den Fluss der Kationen (positiv geladenen Ionen) keine Ladung erzeugt wurde, da diese von der negativ geladenen Membranoberfläche angezogen wurden.
Bei Anwendung unterschiedlicher Spannungen ließ sich diese Leistung jedoch so einstellen, dass Kationen fließen konnten, und es konnte sogar eine vollständige Selektivität für Kationen erreicht werden. Dies führte zu einer sechsfachen Steigerung der osmotischen Energieeffizienz.
„Durch die Erhöhung der Ladungsdichte an der Oberfläche der Nanoporen, aus denen die Membran besteht, haben wir eine Leistungsdichte von 15 W/m2 erreicht“, sagt der leitende Autor Tomoji Kawai. „Das ist sehr ermutigend im Hinblick auf die Weiterentwicklung der Technologie.“
Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die Skalierung von Nanoporenmembranen für den alltäglichen Gebrauch möglich ist. Man hofft, dass osmotische Nanoporen-Stromgeneratoren eine Möglichkeit bieten, blaue Energie in den Mainstream zu bringen und so eine nachhaltigere Energiezukunft zu ermöglichen.
Mehr Informationen:
Makusu Tsutsui et al, Gate-All-Around Nanopore Osmotic Power Generatoren, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c01989