塩を使ってクリーンエネルギーを生成する小さな装置

出典: Stock_colors/iStock

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人間の髪の毛よりも小さい新しい装置は、海水と淡水の塩分濃度の違いから発電することができます。 これは、世界中の海岸線に沿った新しいクリーン エネルギー源となる可能性があります。

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究チームは、塩イオンの流れを電力に変換できる装置の設計をナノ・エナジー誌に報告した。 このデバイスはナノスケールの半導体材料でできており、「クーロン抵抗」と呼ばれる現象を利用して動作します。 研究チームは、この装置を海水と淡水の境界にある自然の塩勾配からエネルギーを回収するために使用できると考えている。

プロジェクトのリーダーである電気・コンピュータ工学教授のジャン・ピエール・ルバートン氏は、彼らの設計は現段階ではまだコンセプトだったが、非常に多用途であり、エネルギー応用への大きな可能性を示したと述べた。 同氏は、彼らは「ナノスケールの固体デバイスはイオン流からエネルギーを抽出できるのか?」という学術的な疑問から始まったと述べた。 – しかし、彼らのデザインは多くの点で彼らを驚かせました。

川の河口などで海水と淡水が出会うと、塩の分子は自然に濃度の高いところから低いところへ移動します。 塩の分子はイオンと呼​​ばれる電気を帯びた粒子でできているため、この動きを利用して発電することができます。

クレジット: イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校グレンジャー工科大学

Leburton のグループは、イオンが流れる狭いチャネルを持つデバイスを設計しました。 デバイス内のイオンと電荷の間の電気力により、電荷が一方の側からもう一方の側に移動し、電圧と電流が発生します。

この研究の主著者である Leburton 氏のグループの大学院生 Mingye Xiong 氏は、デバイスをシミュレートしたときに 2 つの予期せぬ動作を発見したと述べました。 同氏は、電気力が引力であろうと斥力であろうと、この装置は同様にうまく機能することがわかったと述べた。 同氏は、プラスイオンとマイナスイオンの両方が抗力に寄与しているとも述べた。

シオン氏はまた、増幅効果があるとも述べた。 同氏は、イオンはデバイス内の電荷よりもはるかに重いため、多くの運動量を電荷に伝達し、根底にある電流を増加させると説明しました。

研究者らはまた、チャネルがイオンと電荷の間の距離を確実に近づけられるほど十分に狭い限り、これらの効果はチャネルの特定の形状や材料の選択に依存しないことも発見した。

研究者らは発見結果の特許取得を進めており、より多くの電力を生成するためにどれだけ多くのデバイスを接続できるかを研究している。

レバートン氏は、デバイスアレイの電力密度は太陽電池の電力密度と同等か、それを超える可能性があると信じていると述べた。 彼はまた、生物医学センシングやナノ流体工学などの他の分野での応用の可能性についても言及しました。

この研究は雑誌「Nano Energy」に掲載されました。

ナノ流体チャネルを流れるイオンの長距離クーロン相互作用によって引き起こされる、ドープされたシリコン膜内での電子電流の開始は、グリーン関数技術とボルツマン輸送形式に基づく計算と分析の組み合わせたアプローチによって確立されます。 開路電圧と短絡電流を特徴とする電子クーロン抵抗は、電力採取のための新しいパラダイムを提供します。 さらに、私たちのモデルは、シリコン内の重イオンから電荷キャリアへの大きな運動量移動により、イオン抗力電流の電流増幅を予測します。これは、半導体内のドーパントの種類に関係なく、ナノチャネルを流れる陰イオンと陽イオンの両方で達成されます。 この分析は、電解質と半導体材料の性質に関するこの効果の多用途性を示し、それらの構造と設計構成を適切に調整することができます。