Konstruerade kiselnanoporer genererar elektricitet från vattenrörelse

Forskare vid Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) och Hamburg University of Technology (TUHH), tillsammans med samarbetspartners vid CIC energiGUNE och University of Ferrara, har demonstrerat en triboelektrisk nanogenerator som omvandlar den mekaniska rörelsen hos vatten som rör sig in i och ut ur nanoporer till användbar elektrisk energi.

Hur enheten fungerar

Enheten, som beskrivs som en Intrusion–Extrusion Triboelectric Nanogenerator (IE-TENG), utnyttjar laddningsöverföring vid gränssnittet mellan fast fas och vätska. När vatten under tryck pressas in i hydrofoba nanoporer i en ledande kiselmonolit och sedan drivs ut, skapar friktionsinteraktioner vid gränssnittet en nettoöverföring av elektroner och en elektrisk uteffekt. Forskarna jämför den grundläggande effekten med den välbekanta uppkomsten av statisk elektricitet, som när man går över en matta och får en liten stöt när man rör vid ett dörrhandtag av metall.

Design och prestanda

Teamet konstruerade kiselmonoliter med en kombination av konduktivitet, definierad nanoporös arkitektur och hydrofoba ytegenskaper för att kontrollera vattenrörelser inuti porerna och stabilisera energiomvandlingsprocessen. Den rapporterade energiomvandlingseffektiviteten är cirka 9 % för denna fast–vätska-konfiguration, vilket författarna menar är bland de högsta värdena som rapporterats för liknande nanogeneratorer.

Material och reproducerbarhet

Forskarna framhåller att metoden använder rikligt förekommande material — kisel och vatten — snarare än sällsynta eller exotiska komponenter, vilket de menar förbättrar reproducerbarheten och stödjer potentiell skalbarhet. Att uppnå en materialdesign som samtidigt är ledande, nanoporös och hydrofob identifierades som en kritisk utmaning som teamet hanterade i sin tillverkningsprocess.

Potentiella tillämpningar

• vattendetekteringssystem
• bärbara biometriska sensorer och smarta textilier
• monitorer för idrottsprestationer
• haptisk robotik och beröringsstyrda sensorer

Eftersom enheten omvandlar vätskans mekaniska rörelse direkt till en elektrisk signal, kan den möjliggöra självförsörjande sensorer i miljöer där konventionella kraftkällor är opraktiska.

Publikation

Bidragsgivare