Das Team entwickelt einen Stromgenerator, der mit natürlicher Luftfeuchtigkeit betrieben wird

4. August 2023

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von Tsinghua University Press

Wissenschaftler suchen nach Möglichkeiten, die in der Natur weit verbreitete geringwertige Energie zur Stromerzeugung zu nutzen. Ein Forschungsteam hat einen Stromgenerator entwickelt, der die natürliche Luftfeuchtigkeit sammelt und kontinuierliche elektrische Signale erzeugt. Dies ist der erste Feuchtigkeitsgenerator, der unter Verwendung eines nanoskaligen Materials namens Polyoxometallaten entwickelt wurde. Es birgt das Potenzial, eine neue Forschungsrichtung für Polyoxometallate bei der nachhaltigen Nutzung geringwertiger Energie zu sein.

Die Arbeit des Teams wird in Nano Research veröffentlicht.

Das Team machte sich daran, das Problem der Diskontinuität beim Betrieb von Energieumwandlungsgeräten zu lösen. Sie versuchten, dem Mangel an Materialien zur Stromerzeugung mit Luftfeuchtigkeit und der begrenzten gestaltbaren Leistung von Materialien entgegenzuwirken. „Wir wollten den Umwandlungsprozess von Energie aus der Luftfeuchtigkeit in elektrische Energie und die Rolle von Polyoxometallaten bei der Energieerzeugung aus Luftfeuchtigkeit verstehen“, sagte Weilin Chen, Professorin am Fachbereich Chemie der Northeast Normal University.

Polyoxometallate, sogenannte POMs, verfügen über eine besondere Morphologie und funktionelle Eigenschaften, die sie für die kontrollierbare Synthese, den Aufbau und die Leistungsforschung sehr nützlich machen. Sie sind eine vielseitige Klasse anorganischer molekularer Materialien. POM-Nanomaterialien können sich selbst zu mikroporösen Strukturen zusammenfügen, die in der Lage sind, Luftfeuchtigkeit zu sammeln.

Sie sind außerdem umweltfreundlich und weisen eine hohe Stabilität gegenüber Licht, Hitze und chemischen Umgebungen auf. Wissenschaftler gehen davon aus, dass POM-Nanomaterialien das Potenzial haben, die Luftfeuchtigkeit effektiv zu nutzen.

Das Team konstruierte POMs zu organischen Ammonium-Polyoxoanion-Clustern. Die Cluster wurden zu Dünnfilm-Stromgeneratoren mit winzigen Poren in Nanogröße, sogenannten Mikroporen, zusammengesetzt, die in der Lage sind, bei Luftfeuchtigkeit zu arbeiten. Ihr winziger POM-Generator erzeugte eine Spannung von 0,68 V, war stabil und arbeitete kontinuierlich in nahezu natürlichen Umgebungen mit einer Luftfeuchtigkeit zwischen 10 und 90 Prozent.

Der POM-Luftfeuchtigkeitsgenerator funktioniert so, dass die POM-Nanocluster mithilfe der Mikroporen in den POM-Nanodrahtfilmen spontan Luftfeuchtigkeit absorbieren. Sie bilden ein Verteilungsgefälle des Wassers, das die strukturelle Grundlage der Stromerzeugung darstellt. Der POM-Generator hat nachweislich eine hohe Stabilität und kontinuierliche Stromerzeugungsleistung.

Das Team stellte fest, dass der POM-Stromgenerator die natürliche Luftfeuchtigkeit effektiv sammeln und durch die ungleichmäßige Verteilung und gerichtete Bewegung der Ionen kontinuierliche elektrische Signale erzeugen kann. Diese Arbeit liefert neue Ideen für die kontinuierliche Nutzung geringwertiger Energie und einen neuen Forschungsaspekt für die Polyoxometallatchemie.

Es besteht ein dringender Bedarf, eine kontinuierliche Energiegewinnung mit geringem Wert in einer natürlichen Umgebung zu entwickeln. In früheren Forschungen haben Wissenschaftler Geräte entwickelt, die geringwertige Energie sammeln und nutzen. Diese Geräte sind jedoch begrenzt, da Energie mit geringem Wert intermittierend und instabil ist. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler Fortschritte bei der Nutzung der Energie aus der Luftfeuchtigkeit gemacht. Doch der POM-Generator des Teams ist der erste Feuchtigkeitsgenerator, der kontinuierlich Strom erzeugt.

Dieser POM-Generator hat viele potenzielle Anwendungen, wie zum Beispiel die Erkennung menschlicher Atmungsprozesse; die Erkennung, Aufzeichnung und Alarmierung der Umgebungsfeuchtigkeit; die Integration mit Elektrogeräten, um eine kontinuierliche Stromversorgung der Geräte zu erreichen; und die Erfüllung des Strombedarfs mehrerer Szenarien.

„Die wichtigste Botschaft ist, dass durch das Design und die Modifikation von POM-Nanomaterialien eine kontinuierliche Stromerzeugung mithilfe der Luftfeuchtigkeit erreicht wurde und der Mechanismus der Stromerzeugung durch Luftfeuchtigkeit durch die Nutzung der Eigenschaften der POM-Nanomaterialien gründlich verstanden wurde“, sagte Chen.

Mit Blick auf die Zukunft hofft das Team, die Effizienz der Stromerzeugung aus atmosphärischer Luftfeuchtigkeit durch die Prüfung und Optimierung von Materialien zu verbessern. Sie wollen ein tieferes Verständnis des Prozesses der Stromerzeugung durch Luftfeuchtigkeit erlangen.

„Das ultimative Ziel besteht darin, die effiziente Nutzung von Feuchtigkeitsgeneratoren zu erreichen, um eine nachhaltige Entwicklung von Energie und Umwelt zu fördern, indem der Mechanismus untersucht wird, der die Effizienz des Feuchtigkeitsgenerators optimiert“, sagte Chen.

Mehr Informationen: Tuo Ji et al, Polyoxometallate zur kontinuierlichen Stromerzeugung durch Luftfeuchtigkeit, Nano Research (2023). DOI: 10.1007/s12274-023-5959-5

Zeitschrifteninformationen:Nanoforschung

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