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河口利用新型薄膜 相当于数千座核电站

        发布时间:2019-12-19 15:32        编辑:北极电力网

在河口,淡水汇入海洋,借助新研发的薄膜,河口有希望变成巨型发电厂。

淡水和盐水存在着化学差异,在河口,这两种性质不同的液体汇聚在一起。如今,科学家设计了一种薄膜,能利用二者的差异发电。若能规模化生产,沿海地区的河口交汇处有望建起电站,为数百万人提供无碳清洁电能。

近日,美国罗格斯大学的研究团队宣布,他们在这一领域取得了突破。研究人员发明了一种可以分离盐水中正负电荷的薄膜。水流穿过其中,每平方米薄膜每年可产生约30兆瓦时的电量,足以为3栋房屋供电。

“这令人印象深刻。多年来,我们所在的研究领域一直期待研究成功的一天。”韩国浦项科技大学机械工程师朴光宇这样评价。

据《科学》报道,水这种“蓝色能源”能为人类所用是有事实基础的。每年,全球约有3.7万立方千米的淡水从河口流入海洋。河水与海水交汇可提供巨大的发电潜力,经估算,产生的电量可达2.6太瓦时,大致相当于2000座核电站的发电量。

盐是一类由金属离子或铵根离子与酸根离子结合的化合物,其中不同的化学物质带有正电荷或负电荷。在固体中,正电荷与负电荷相互吸引,从而束缚住离子(比如氯化钠由带正电的钠离子和带负电的氯离子结合而成)。而在水里,这些离子可以“溜走”或自由活动。

这是利用淡水和盐水发电的原理。此前,也有利用类似原理获取能量的发电厂,但采用的方法成本高昂,难以顺利推广。

而新研发的薄膜是半透膜,可通过抽吸将钠或钾的正离子送到膜的另一侧。研究人员据此将水流分到两个水池中:一种带正电荷,一种带负电荷。将电极浸入池中并用导线连接,电子将从负电荷一侧流向正电荷,从而实现发电。

法国的研究人员最初在2013年制造出这种薄膜。这种氮化硅陶瓷膜常用于电子工业、工具切割等。氮化硼纳米管这种材料带有很多的负电荷,理想状态下,薄膜放在淡水和盐水间时,正离子会从盐水向淡水方向压缩,但带负电荷的离子被膜挡住,导致两侧电荷不平衡,由此产生电力。

但之前的难点在于,这种薄膜中的氮化硼纳米管无法按研究者的意志垂直于膜排列。在近日举行的美国材料学会年会上,罗格斯大学机械工程学家Jerry Wei-Jen Shan实验室的成员报告称,他们解决了这个问题。

研究人员将购买的市售纳米管加入到先驱体聚合物中,形成6.5微米厚的薄膜。再给带负电的管子涂上一层带正电的涂料,涂料分子体积大,无法穿过氮化硼纳米管,因此薄膜的通道仍处于通畅状态。

之后,研究者将带负电的磁性氧化铁颗粒添加到混合物中,颗粒会固定在带正电的涂层上。这时,研究者再施加磁场,就可以操纵纳米管,让它们逐一对齐。接着,再用紫外线将聚合物稳定在应有位置上。薄膜的顶部和底部表面上均有部分材料被等离子束蚀刻,从而保证纳米管通畅。

最终,这种加工后的薄膜每立方厘米约有1000万个氮化硼纳米管。研究者将其放在小规模的容器中,单位面积发电量是原有薄膜的4倍。

研究团队表示,这种效率提升很可能跟氮化硼纳米管的宽窄有关,更窄的纳米管可更好地排除带负电荷的氯离子。但这种工艺还需要改进,因为经过等离子束处理的薄膜,仅有2%的氮化硼纳米管是两侧都打开的。

现在,研究者还在尝试增加其中的开孔数量,为“蓝色能源”的切实应用提供可能。

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