淡水边界是能源收获的未来吗?

研究人员开发了一种纳米膜，可以从渗透中获取能量。这是“蓝色能量”的黎明吗?

在河口捕获能量

目前有相当多的可再生能源。“绿色”运动已经兴起能量收获太阳能、地热和水力发电。

然而，有些日子，没有阳光，没有风，这就限制了这些能源能产生的能量。那么多一种清洁能源会造成什么危害呢?

研究人员Ècole Polytechnique Fédérale de Lausanne(EPFL)可能已经找到了一种绕开某些可再生能源限制的方法。

他们的新能源?海水和淡水之间的界限。

阿拉斯加海水和淡水边界的一个例子。图片由简和菲利普·博格。

2016年7月13日，该研究团队的发现发表在《自然。该团队开发了一种独特的方法，可以在任何淡水边界产生大量能量。

这种能量是通过渗透作用产生的，当高含盐量的水通过渗透膜与淡水接触时，就会产生这种能量。当海水进入淡水时，盐离子就会通过，盐离子带有电荷。离子继续通过，直到各水体的盐度达到平衡为止。

那么，所有这些与可再生能源有什么关系呢?如果能制造一层材料并将其放置在水体的交叉点，那么通过盐离子的电能就有可能被利用。

这正是EPFL纳米生物学实验室的研究人员所做的。他们创造了一种只有三个原子组成的膜——是的，只有三个。这是一种半透膜，由MoS制成₂(二硫化钼)，用于分离盐浓度不同的两种液体。

纳米膜的设计

关于离子在淡水和海水之间转移的过程的知识并不新鲜，但EPFL的膜才是最尖端的。通过产生这样小的薄膜，可以由于电阻率的降低而获得更大的电流。

膜和水分子的渲染。图片由Steven Duensing提供，国家超级计算应用中心。

二硫化钼作为一种材料是相当便宜的，如果薄膜可以跨越数百英里，这是一个巨大的优势。该膜由大量(纳米级)的孔组成，这些孔允许盐离子通过膜，并利用离子充电来发电。本质上，离子通过纳米孔，它们的电子被转移到电极。

幸运的是，研究人员选择的膜材料允许带正电的离子通过，同时排斥大部分带负电的离子。当正离子和负离子聚集时，这会在两种液体之间产生一个电位差和有效的电压差。正是这种电压使所产生的电流容易流动。

该研究的主要作者冯建东表示，他的团队面临的挑战之一是确定分子可以通过的细胞膜开口的大小。这些开口被称为纳米孔。

冯教授说，如果纳米孔太大，负离子就可以通过。那些通过薄膜的电子基本上会被浪费掉，而由薄膜收集的电压也会因此降低。另一方面，如果纳米孔太小，可能会有更少的离子通过薄膜，从而使电流最终太弱。

可再生能源的潜力

使用如此小的薄膜可以从一个简单的化学反应中获得惊人的能量。

根据研究人员的分析和计算，从1米²金属氧化物半导体₂只有30%的表面被纳米孔覆盖的薄膜，可以产生1兆瓦的电力。这足以为5万个节能灯泡提供能量!

二硫化钼化合物是自然发现的，也可以通过一种称为化学气相沉积的过程产生。由于这种材料是如此容易获得，膜可以缩放为更大的能量生产。然而，垢化仍然是一个挑战，因为在整个膜上创造均匀的孔被证明是困难的。

然而，这是一个最终可以解决的问题。研究小组利用通过单个纳米孔产生的电流来运行纳米晶体管，发现它证明了自己是一个自我供能的纳米系统。

制造饮用水的纳米膜

EPFL并不是唯一研究这一课题的机构。他们一直在与由Narayana Aluru教授在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校这个美国团队已经通过分子动态模拟帮助EPFL团队预测分子行为，更好地设计膜和纳米孔。

然而，Aluru对二硫化钼薄膜的兴趣并不是集中在可收获能源的潜力上。相反，他的团队一直在研究这些薄膜作为一种将海水转化为适于饮用的淡水。

硫化钼膜(带有纳米孔)的渲染图，用作制造淡水的过滤器。图片由伊利诺伊大学。

简而言之，这种膜技术可以利用基本的渗透过程，不仅产生可持续的能源，而且提供饮用水。

蓝色能源是一种日益增长的趋势，随着技术的进步，它可能在未来几年获得巨大的吸引力。

一旦他们的工程模型和计算变得更有效率，我们就能看到蓝色能源被广泛使用的未来。被称为渗透作用的简单过程可以在产生可再生能源和其他方面发挥巨大的作用。