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蚕丝也能发电?

肖攀峰 05月22日

来源:中科院之声

说起蚕丝,你会想到什么?


有人会说:蚕丝是古代中华文明产物之一,中国劳动人民生产为极早之事,相传黄帝之妃嫘祖始教民育蚕。


有人会说:期待爱情如桑蚕吐丝,春蚕到死丝方尽,蜡炬成灰泪始干。


有人会说:丝绸之路……

 

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图1 蚕丝(图片来自网络)


但在科学家眼里,蚕丝不只是穿的、盖的,还可以发电!


这不,来自中科院理化技术研究所的闻利平研究员团队运用天然蚕丝制作出了超薄的纳米膜,实现了电能的输出。


“蚕丝发电”到底是如何实现的呢?还得从他们的研究背景说起。


众所周知,开发绿色可持续的能源正成为世界各国的研究重点。目前,风能、太阳能、核能、地热能、潮汐能等一些新兴无污染能源受到人们的广泛关注。其中,盐差能因为储量巨大、可持续性、分布广泛而成为研究的热点。


盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能,是以化学能形态出现的海洋能,主要存在于河海交接处。同时,淡水丰富地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。一般海水含盐度为3.5%时,其和河水之间的化学电位差有相当于240m 水位差的能量密度,从理论上讲,如果这个压力差能利用起来,从河流流入海中的每立方英尺的淡水可发0.65 kW h的电。一条流量为1m3/S 的河流的发电输出功率可达2340 kW。如果用很有效的装置来提取世界上所有河流的这种能量,那么可以获得约2.6 TW的电力。


由于海水盐差能的蕴藏量十分巨大,美国、日本、瑞典等国家都在积极开展这方面的研究和开发利用工作。我国也很重视海水盐差能的开发利用,据估计,我国在河口地区的盐差能约有1.6亿千瓦。而基于膜材料的反向电渗析技术是捕获这种能源的有效方法之一。


以该技术为基础的盐差电池,采用阴离子渗透膜(只允许阴离子通过)和阳离子渗透膜(只允许阳离子通过)。这两种膜交替放置,中间的间隔处交替充以淡水和盐水。在淡水和海水作为膜两侧的溶液的情况下,界面由于浓度差而产生的电位差约为100 mV。如果把多个这类电池串联起来,可以得到串联电压,形成电流。


离子选择膜是反向电渗析技术的核心部件。生产出高性能、稳定、价格低廉的膜材料成为该技术大面积应用的前提和保证。于是,蚕丝因为其产量巨大、力学性能优异、价格低廉引起该研究团队的注意。

 

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图2 蚕丝制备超薄膜的流程(图片来源:中科院理化所)


该团队利用蚕丝膜组装渗透能捕获器件。在模拟海水与河水交界环境时,该器件能够稳定运行,而且可以持续输出电流电压。

 

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图3 组装器件可以实现稳定的电流电压输出(图片来源:中科院理化所)


此外,该团队对复合膜的厚度进行研究。复合膜的厚度影响离子跨膜运输的阻力,进而影响器件的渗透能捕获能力。模拟与实验相结合的方法更好支持文中的结论。


结果表明,超薄蚕丝膜的性能超过绝大多数被报道的材料,实现了4.1 W/m2 的功率密度输出。该数值是最接近商业可应用的标准(5 W/m2)。

 

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图4 超薄蚕丝膜与其他被报道的材料性能的对比(图片来源:中科院理化所)


该工作以全文的形式发表在国际能源顶级期刊 ACS Energy Letters上,并且被选为封面文章。


来源:中国科学院理化技术研究所




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