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Ilustración esquemática que muestra el control del voltaje de puerta de la selectividad iónica en un nanoporo. Crédito: Makusu Tsutsui
La energía azul tiene el potencial de proporcionar una alternativa sostenible a los combustibles fósiles. En términos simples, implica aprovechar la energía producida cuando los iones en una solución salina pasan de concentraciones altas a bajas.
Un equipo formado por investigadores de la Universidad de Osaka investigó el efecto del voltaje en el paso de iones a través de una membrana nanoporosa para demostrar un mayor control del proceso.
En un estudio reciente Publicado en ACS Nano Los investigadores analizaron cómo adaptar el flujo de iones a través del conjunto de nanoporos que forman su membrana y cómo este control podría hacer realidad la aplicación a gran escala de la tecnología.
Si las membranas están hechas de un material cargado, los nanoporos pueden hacer que fluya una corriente a través de ellos, atrayendo iones de solución con carga opuesta. Luego, los iones con la misma carga pueden moverse a través del poro generando la corriente. Esto significa que el material de los poros es muy importante y elegirlo ha sido el medio para controlar el flujo y la corriente hasta ahora.
Sin embargo, producir exactamente las mismas estructuras de poros en una variedad de materiales diferentes para comprender sus desempeños comparativos es un desafío. Por lo tanto, los investigadores decidieron investigar otra forma de adaptar el flujo de iones a través de membranas nanoporosas.
«En lugar de simplemente utilizar la carga superficial básica de nuestra membrana para dictar el flujo, analizamos lo que sucede cuando se aplican voltajes», explica el autor principal del estudio, Makusu Tsutsui. «Utilizamos un electrodo de puerta incrustado en la membrana para controlar el campo a través del voltaje, de forma similar a cómo funcionan los transistores semiconductores en los circuitos convencionales».
Los investigadores descubrieron que sin aplicar voltaje, no se generaba carga por el flujo de cationes (iones cargados positivamente) porque eran atraídos por la superficie de la membrana cargada negativamente.
Sin embargo, si se aplicaran voltajes diferentes, este rendimiento podría ajustarse para permitir el flujo de cationes, incluso proporcionando una selectividad catiónica completa. Esto permitió multiplicar por seis la eficiencia energética osmótica.
«Al aumentar la densidad de carga en la superficie de los nanoporos que forman la membrana, conseguimos una densidad de potencia de 15 W/mdos”, dice el autor principal Tomoji Kawai. «Esto es muy alentador en términos de progreso tecnológico».
Los resultados del estudio revelan el potencial de escalar membranas nanoporosas para aplicaciones diarias. Se espera que los generadores de energía osmótica de nanoporos proporcionen un medio para incorporar la energía azul a la corriente principal para un futuro energético más sostenible.
Mas informaciones:
Makusu Tsutsui et al, Generadores de energía osmótica integrales con puerta de nanoporos, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c01989
