Geconstrueerde silicium nanoporiën wekken elektriciteit op uit waterbeweging

Onderzoekers van het Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) en de Technische Universiteit Hamburg (TUHH) hebben, samen met partners van CIC energiGUNE en de Universiteit van Ferrara, een tribo-elektrische nanogenerator gedemonstreerd die de mechanische actie van water dat nanoporiën binnenkomt en verlaat, omzet in bruikbare elektrische energie.

Hoe het apparaat werkt

Het apparaat, beschreven als een Intrusion–Extrusion Triboelectric Nanogenerator (IE-TENG), maakt gebruik van ladingsoverdracht op het grensvlak tussen vaste stof en vloeistof. Wanneer water onder druk in hydrofobe nanoporiën in een geleidend siliciummonoliet wordt geperst en vervolgens wordt uitgestoten, produceren wrijvingsinteracties op het grensvlak een netto elektronoverdracht en een elektrische output. De onderzoekers vergelijken het basiseffect met de bekende opwekking van statische elektriciteit, zoals wanneer men over een tapijt loopt en een kleine schok krijgt bij het aanraken van een metalen deurknop.

Ontwerp en prestaties

Het team ontwierp siliciummonolieten met een combinatie van geleidbaarheid, een gedefinieerde nanoporeuze architectuur en hydrofobe oppervlakte-eigenschappen om de waterbeweging in de poriën te beheersen en het energieconversieproces te stabiliseren. De gerapporteerde efficiëntie van de energieomzetting is ongeveer 9% voor deze vast-vloeistofconfiguratie, wat volgens de auteurs een van de hoogste waarden is die voor vergelijkbare nanogeneratoren zijn gerapporteerd.

Materialen en reproduceerbaarheid

Onderzoekers benadrukken dat de aanpak gebruikmaakt van overvloedig aanwezige materialen — silicium en water — in plaats van zeldzame of exotische componenten, wat volgens hen de reproduceerbaarheid verbetert en de potentiële schaalbaarheid ondersteunt. Het realiseren van een materiaalontwerp dat tegelijkertijd geleidend, nanoporeus en hydrofoob is, werd geïdentificeerd als een kritieke uitdaging die het team in hun fabricageproces heeft aangepakt.

Potentiële toepassingen

• waterdetectiesystemen
• draagbare biometrische sensoren en slimme kleding
• monitoren voor atletische prestaties
• haptische robotica en aanraakgestuurde sensoren

Omdat het apparaat mechanische beweging van vloeistof direct omzet in een elektrisch signaal, kan het zelfvoorzienende sensoren mogelijk maken in omgevingen waar conventionele stroombronnen onpraktisch zijn.

Publicatie

Medewerkers