全球每年约有40万亿吨的河水流入海洋。位于河海交汇点的河口拥有巨大的发电潜力,因为海水和河水的盐份含量不同,两者混合可释放出大量的吉布斯自由能。通过半透膜,可以进一步将其转化为电能。然而,由于半透膜的性能问题,这一方法尚不具备经济可行性,使得这种天然、丰富的清洁能源无法被有效地开发利用。
为克服现有膜技术带来的挑战,研究人员开发了无膜技术。他们并不使用半透膜在盐水和淡水之间建立可以形成“盐度差”边界,而是直接在电容性电极的纳米孔中混合盐水和淡水。这种混合方法可以引发在固体电极与电解质界面(在这种情况下为孔的表面)自发形成的双电层(EDL)的结构性变化。在将淡水注入充满海水的孔隙后,孔隙中的盐浓度会降低,使双电层膨胀,其效果与平行板电容器两个极板相互远离别无二致。于是,导致这种膨胀的吉布斯自由能将会被转换为储存在双电层中的电能。然而,现有电极系统过低的表面电荷始终是无膜技术需要攻克的主要挑战。因此,将其作为有膜技术的替代品并产生效益仍然仅仅是一种设想。
最近,得克萨斯农工大学柯柏斯克里斯提分校、夏威夷大学和北京纳米能源与系统研究所携手合作,共同开发了一种新的电极系统。在将该电极系统浸没在电解质溶液后,其可表现出更高水平的表面电荷。在以多种方式处理多孔活性炭材料表面后,研究人员能够通过将官能团(可诱发相反表面电荷)附着到材料表面的方式,修改材料表面的分子结构。特别是,在浸入氯化钠溶液后,一个电极上的表面官能团会各自失去一个氢原子,而另一个电极上的表面官能团则各自获得一个氢原子,形成带相反电荷的电极。相反的电荷增加了储存在双电层中的静电能,可使更多的吉布斯自由能转化为电能。在正常的海水和淡水条件下,这种新的电极系统可以使现有电容系统的面积功率密度增加两倍。该电极系统原型装置的体积功率密度与膜技术的相当,甚至更高。令人惊讶的是,在超过5万次充电/放电循环后,该系统仍然可以保持90%的容量,因此更具经济竞争力。
研究人员相信,这一方法仍有很大的发展空间。借助这一技术突破,我们将有望构建更为切实、更具经济可行性的解决方案,充分利用这一丰富的可再生能源。
Journal
Research
Method of Research
Experimental study
Subject of Research
Not applicable
Article Title
Tuning Surface Molecular Design of Porous Carbon for Blue Energy Harvesting
Article Publication Date
19-Jun-2023
COI Statement
T.M. and J.Y. conceived the idea. T.M. and J.Y. designed all experiments. J.Y. fabricated the capacitors. J.Y. and T.M. performed measurements and data analysis. T.M., J.Y., and Z.-L.W. wrote the manuscript.