Ионный «солнечный элемент» может обеспечить опреснение воды

Современные солнечные элементы, которые используют энергию света для генерации электронов и дыр, которые затем транспортируются из полупроводниковых материалов и во внешние цепи для использования человеком, существовали в той или иной форме более 60 лет. Однако мало внимания было уделено обещанию использовать свет для управления другим процессом генерации электроэнергии — переносом противоположно заряженных протонов и гидроксидов, полученных диссоциацией молекул воды. Исследователи из Америки сообщают о таком дизайне, который имеет многообещающее применение в производстве электроэнергии, чтобы превратить солоноватую воду в воду, 15 ноября в журнале Joule .
Ионный «солнечный элемент» может обеспечить опреснение воды
Исследователи во главе с старшим автором Шейном Ардо, доцентом по химии, химической инженерии и материаловедению Калифорнийского университета Ирвин, пишут, что они создали «ионный аналог электронного солнечного элемента pn-перехода», чтобы использовать полупроводниковое поведение воды и генерировать ионное электричество. Они надеются использовать такой механизм для производства устройства, которое будет непосредственно опреснять морскую воду при воздействии солнечного света.
«В 1980-х годах были проведены другие эксперименты с фотовозбужденными материалами, чтобы пропускать через них ионный ток, и теоретические исследования показали, что эти токи должны быть способны достигать тех же уровней, что и их электронные аналоги, но ни один из них не работал так хорошо », — говорит первый автор Уильям Уайт, аспирант исследовательской группы Ardo.
В этом случае исследователи достигли большего успеха, позволив воде проникать через две ионообменные мембраны, которые в основном переносили положительно заряженные ионы (катионы), подобные протонам, и в основном переносили отрицательно заряженные ионы (анионы), такие как гидроксиды, пара химических ворот для достижения разделения заряда. Сияние лазера на системе побудило светочувствительные молекулы органического красителя, связанные с мембраной, освободить протоны, которые затем переносились на более кислотную сторону мембраны и в некоторых случаях приводили к измерению ионного тока и напряжений более 100 мВ (60 мВ в среднем).
Несмотря на то, что время от времени увеличивается порог фотонапряжения 100 мВ, уровень электрического тока, который может достичь система двойной мембраны, остается основным ограничением. Фотонапряжение необходимо увеличить более чем на два коэффициента, чтобы достичь отметки ~ 200 мВ, необходимой для обессоливания морской воды.
«Все сводится к фундаментальной физике того, как долго носители заряда сохраняются до рекомбинации, чтобы образовать воду», — говорит Ардо. «Зная свойства воды, мы можем более разумно разработать один из этих интерфейсов с биполярной мембраной, чтобы мы могли максимизировать напряжение и ток».
В конечном счете опреснение — это всего лишь одно возможное применение синтетического светового протонного насоса, разработанного исследователями. Он также может иметь потенциал для взаимодействия с электронными устройствами или даже для подачи сигналов в интерфейсах «мозг-машина» и других «клеток киборгов», которые сочетают живую ткань и искусственную циркуляцию, роль, которую нельзя заполнить традиционными солнечными элементами, которые нестабильны в биологических системах.
«У нас было много идей о том, для чего можно использовать эту технологию, а не просто вопрос обучения, чтобы пересечь поля и заставить устройство работать для этих приложений», — говорит Ардо. «Я думаю, что это просто еще один пример того, что вы можете сделать, когда у вас есть ученые, которые обучены по многим дисциплинам и думают нестандартно».


Еще интересно почитать: