Когда думаешь о возобновляемых источниках энергии, часто в первую очередь приходят на ум солнечные или ветровые — но как насчет энергии океана?

Океан покрывает более 70% поверхности Земли— обеспечивая огромный потенциал для получения возобновляемой и чистой энергии. Исследователи Института передовых материалов (IFM) надеются раскрыть этот потенциал.

В статье, опубликованной в журнале Американского химического общества, исследователи IFM продемонстрировали, как новая передовая технология двумерных (2D) мембран из наноматериалов может улучшить процессы сбора голубой энергии. Сбор голубой энергии - это возобновляемая энергия, которая использует разницу в содержании соли между речной и морской водой для выработки электроэнергии.

"Энергия океана состоит из пяти форм — приливов, водных волн, океанских течений, температурных градиентов и энергии градиента солености, предлагая потенциальную альтернативу, безграничный энергетический ресурс", - говорит доцент Вэйвэй Лэй, который возглавляет проект по производству устойчивой энергии в IFM.

"Поэтому сбор энергии океана с помощью искусственных устройств вызвал огромный интерес. В частности, энергия градиента солености, также называемая "осмотической энергией" или "голубой энергией", открывает значительные перспективы для развития возобновляемых источников энергии.

"Он обладает потенциалом в 1 ТВт энергии (8500 ТВтч в год), что превышает сумму гидравлической, ядерной, ветровой и солнечной энергии в 2015 году.

"С развитием нанотехнологий и двумерных наноматериалов были разработаны новые мембраны из двумерных наноматериалов с нанопорами и наноканалами для сбора голубой энергии.

"Однако эффективность сбора энергии этими мембранами все еще слишком низка, чтобы соответствовать требованиям практического применения из-за их высокого внутреннего сопротивления и низкой селективности ионов.

"Новые усовершенствованные мембраны из 2D наноматериалов с новыми и надежными свойствами решат эту проблему, которая сейчас пользуется большим спросом".

Доц. Профессор Лей и члены его команды представили стратегию оптимизации наноканалов в мембранах из двумерных наноматериалов для сбора большего количества энергии за счет больших объемов воды.

Для этого исследователи сконструировали наноканалы из нанослоев оксида графена. Листы химически отслаиваются, встряхивая свободные реакционноспособные фрагменты нанолист, называемые окислительными фрагментами, которые заряжаются в щелочных условиях. Отрицательно заряженные каналы притягивают положительные ионы в морской воде. Затем осмотическое давление может "проталкивать" ионы по каналам, создавая чистый ток, который можно собирать.

При таком подходе мембрана может преодолеть компромисс между проницаемостью (насколько легко ионы могут перемещаться по каналам) и селективностью (стимулируя движение по каналам только положительных ионов). Это дает доц. Профессор Мембрана Lei обеспечивает повышение выработки энергии по сравнению с мембранами из оксида графена, которые не были обработаны для включения отрицательно заряженных фрагментов нанолист.

Эта стратегия увеличила выработку энергии до уровня, который мог бы обеспечить питанием небольшое электронное устройство.

"Это означает, что мы можем получать больше энергии за счет больших объемов воды. Это усиленное выделение энергии происходит благодаря увеличенным наноканалам вместе с повышенной локальной плотностью заряда отделенных окислительных фрагментов".

Новая стратегия проектирования мембран с использованием этих окислительных фрагментов для украшения наноканалов обеспечивает альтернативный и простой подход для многих применений, которые могут использовать ионные заряды, такие как ионный обмен.

Доц. Профессор Лей говорит, что в настоящее время это исследование все еще ограничено лабораторным оборудованием, однако они планируют приобрести крупное оборудование для изготовления большой мембраны и устройства для крупномасштабного применения.

"В реальном мире мы думаем, что мембраны могли бы быть установлены в устьях рек или в местах выхода промышленных сточных вод", - говорит доц. Профессор - говорит Лей.

"Сточные воды с заводов или промышленных предприятий имеют другой поверхностный заряд ионов с более высокой концентрацией, чем обычная вода. Если мы сможем установить нашу мембрану в конце их процессов до того, как сточные воды попадут в естественные водные пути, мы сможем собирать энергию, а также обрабатывать эту воду.

"Сейчас мы ищем отраслевых партнеров, которые заинтересованы в разработке новой мембранной технологии для производства возобновляемой энергии".