Flodmynningar – där sötvattenfloder möter det salta havet – är fantastiska platser för fågelskådning och kajakpaddling. I dessa områden blandas vatten som innehåller olika saltkoncentrationer och kan vara källor till hållbar, ”blå” osmotisk energi.
Forskare i ACS Energy Letters rapporterar att de skapat ett semipermeabelt membran som skördar osmotisk energi från saltgradienter och omvandlar den till elektricitet. Den nya designen hade en uteffekttäthet som var mer än två gånger högre än kommersiella membran i laboratoriedemonstrationer.
Osmotisk energi kan genereras överallt där det finns saltgradienter, men de tillgängliga teknikerna för att fånga upp denna förnybara energi har utrymme för förbättringar. I en metod används en rad membran för omvänd elektrodialys (RED) som fungerar som ett slags ”saltbatteri” och genererar elektricitet från tryckskillnader som orsakas av saltgradienten.
För att jämna ut gradienten flödar positivt laddade joner från havsvatten, t.ex. natrium, genom systemet till sötvattnet, vilket ökar trycket på membranet. För att ytterligare öka skördekraften måste membranet också ha ett lågt inre elektriskt motstånd genom att elektronerna lätt kan flöda i motsatt riktning mot jonerna.
Tidigare forskning tyder på att en förbättring av både flödet av joner över RED-membranet och effektiviteten i elektrontransporten sannolikt skulle öka mängden elektricitet som fångas upp från osmotisk energi. Dongdong Ye, Xingzhen Qin och deras kollegor konstruerade därför ett semipermeabelt membran av miljövänliga material som teoretiskt sett skulle minimera det inre motståndet och maximera uteffekten.
Forskarnas RED-membranprototyp innehöll separata (dvs. frikopplade) kanaler för jontransport och elektrontransport. De skapade detta genom att lägga en negativt laddad cellulosahydrogel (för jontransport) mellan lager av en organisk, elektriskt ledande polymer som kallas polyanilin (för elektrontransport).
Inledande tester bekräftade deras teori om att frikopplade transportkanaler resulterade i högre jonledningsförmåga och lägre resistivitet jämfört med homogena membran tillverkade av samma material.
I en vattentank som simulerade en flodmynningsmiljö uppnådde deras prototyp en uteffekttäthet som var 2,34 gånger högre än ett kommersiellt RED-membran och bibehöll prestandan under 16 dagars oavbruten drift, vilket visar på dess långsiktiga och stabila prestanda under vattnet. I ett slutligt test skapade teamet en saltbatteriuppsättning av 20 av sina RED-membran och genererade tillräckligt med el för att individuellt driva en miniräknare, LED-lampa och stoppur.
Ye, Qin och deras medarbetare säger att deras resultat utökar utbudet av ekologiska material som kan användas för att tillverka RED-membran och förbättra prestandan för osmotisk energihämtning, vilket gör dessa system mer genomförbara för användning i den verkliga världen.
Ytterligare information: Decoupled Ionic and Electronic Pathways for Enhanced Osmotic Energy Harvesting, ACS Energy Letters (2024). DOI: 10.1021/acsenergylett.4c00320
