Forscher konstruieren Nanokanäle aus Graphenoxid-Nanoblättern, um osmotische Energie aus dem Ozean zu gewinnen

Wenn man an erneuerbare Energiequellen denkt, denkt man oft zuerst an Sonne oder Wind – aber was ist mit Meeresenergie?

Der Ozean bedeckt mehr als 70 % der Erdoberfläche und bietet ein enormes Potenzial für erneuerbare und saubere Energie. Forscher des Institute for Frontier Materials (IFM) hoffen, dieses Potenzial zu erschließen.

In einem in der Zeitschrift der American Chemical Societyhaben IFM-Forscher gezeigt, wie die neue fortschrittliche zweidimensionale (2D) Nanomaterial-Membrantechnologie Prozesse zur Gewinnung blauer Energie verbessern kann. Blue Energy Harvesting ist eine erneuerbare Energie, die den Salzgehaltsunterschied zwischen Fluss- und Meerwasser zur Stromerzeugung nutzt.

„Meeresenergie besteht aus fünf Formen – Gezeiten, Wasserwellen, Meeresströmungen, Temperaturgradienten und Salzgradientenenergie, die eine potenzielle alternative, unbegrenzte Energiequelle darstellen“, sagt außerordentlicher Professor Weiwei Lei, der das Projekt zur nachhaltigen Energieerzeugung bei leitet IFM.

„Daher hat die Gewinnung von Meeresenergie durch künstliche Geräte ein enormes Interesse geweckt. Insbesondere die Salzgehaltsgradientenenergie, auch ‚osmotische Energie‘ oder ‚blaue Energie‘ genannt, ist vielversprechend für die Entwicklung erneuerbarer Energien.

„Es hat ein Potenzial von 1 TW Energie (8500 TWh in einem Jahr), was die Summe aus Wasserkraft, Kernenergie, Wind- und Sonnenenergie im Jahr 2015 übersteigt.

„Mit der Entwicklung der Nanotechnologie und 2D-Nanomaterialien wurden neuartige Membranen aus 2D-Nanomaterialien mit Nanoporen und Nanokanälen für die Gewinnung von blauer Energie entwickelt.

„Allerdings ist die Energiegewinnungseffizienz dieser Membranen aufgrund ihres hohen Innenwiderstands und ihrer geringen Ionenselektivität noch zu gering, um den Anforderungen der praktischen Anwendung gerecht zu werden.

„Neue fortschrittliche 2D-Nanomaterialmembranen mit neuartigen und robusten Eigenschaften werden dieses Problem lösen, das jetzt sehr gefragt ist.“

Assoz. Prof. Lei und seine Teammitglieder stellten eine Strategie zur Optimierung der Nanokanäle innerhalb der 2D-Nanomaterialmembranen vor, um durch größere Wassermengen mehr Energie zu gewinnen.

Dazu konstruierten die Forscher Nanokanäle aus Graphenoxid-Nanoblättern. Die Blätter werden chemisch abgeblättert, wobei lose reaktive Nanoblattfragmente, sogenannte oxidative Fragmente, geschüttelt werden, die sich unter alkalischen Bedingungen aufladen. Die negativ geladenen Kanäle ziehen positive Ionen im Meerwasser an. Der osmotische Druck kann dann die Ionen durch die Kanäle „schieben“, um einen Nettostrom zu erzeugen, der geerntet werden kann.

Mit diesem Ansatz kann die Membran den Kompromiss zwischen Permeabilität (wie leicht sich die Ionen durch die Kanäle bewegen können) und Selektivität (nur positive Ionen werden ermutigt, sich durch die Kanäle zu bewegen) überwinden. Dies gibt Assoc. Die Membran von Prof. Lei steigert die Energieerzeugung im Vergleich zu Graphenoxidmembranen, die nicht so behandelt wurden, dass sie negativ geladene Nanoblattfragmente enthalten.

Diese Strategie steigerte die Energieerzeugung auf ein Niveau, das ein kleines elektronisches Gerät mit Strom versorgen könnte.

„Das bedeutet, dass wir durch große Wassermengen mehr Energie gewinnen können. Diese gesteigerte Energieerzeugung ist auf die vergrößerten Nanokanäle zusammen mit der erhöhten lokalen Ladungsdichte der abgelösten oxidativen Fragmente zurückzuführen.“

Die neue Strategie des Membrandesigns unter Verwendung dieser oxidativen Fragmente zur Dekoration der Nanokanäle bietet einen alternativen und einfachen Ansatz für viele Anwendungen, die die ionischen Ladungen nutzen können, wie z. B. Ionenaustausch.

Assoz. Laut Prof. Lei ist diese Forschung derzeit noch auf Geräte in Laborgröße beschränkt, sie planen jedoch den Kauf einer großen Anlage zur Herstellung großer Membranen und Geräte für die großtechnische Anwendung.

„In der Praxis denken wir, dass Membranen in Flussmündungen oder an Austrittsstellen für Abwässer aus der Industrie installiert werden könnten“, sagte Assoc. sagt Prof. Lei.

„Das Abwasser aus Fabriken oder der Industrie hat andere Oberflächenladungsionen mit einer höheren Konzentration als normales Wasser. Wenn wir unsere Membran am Ende ihrer Prozesse platzieren können, bevor das Abwasser auf natürliche Wasserwege trifft, können wir die Energie gewinnen und dieses Wasser auch behandeln.

„Wir suchen jetzt nach Industriepartnern, die an der Entwicklung neuer Membrantechnologien für die erneuerbare Energieerzeugung interessiert sind.“