蔚藍能源:讓靠海河流取代千座核電廠

未來可望用淡水和鹽水的化學差異發電,為沿海國家(每年河流向海洋提供相當可觀容量的淡水)的數百萬人提供完全無碳的藍色能源。

 

  綠能支持者或許很快就會投向海洋的懷抱,因為科學家發現了一種新的薄膜技術可以解放「藍色能源」(blue energy)的限制:運用淡水和鹽水的化學差異發電。如果科學家能把這種薄膜縮小成郵票尺寸,而且壓低成本使其負擔得起,它就能為沿海國家(每年河流向海洋提供相當可觀容量的淡水)的數百萬人提供完全無碳的藍色能源。

 

  藍能的前景在於規模:河流每年向海洋提供約3.7萬立方公里的淡水,而淡水與鹽水匯流的區域具有大量發電的潛力——估計指出足以產生2.6兆瓦的發電量,大約相當於2000座核電廠。

 

  好幾種方法都能透過物質的化學差異產生能量,而藍能技術的「概念」也已經存在數十年,甚至還建造過幾座藍能發電廠,但由於高昂的成本阻礙了藍能發展與實際應用,至今尚未有藍能發電廠商轉成功過(譬如挪威的原型機已於2014年關閉)。所有的藍能研究方法都基於一個事實:鹽是由離子(帶正電荷或負電荷的化學物質)組成。在固體型態時,正電荷與負電荷相吸,將離子緊密結合,例如食鹽是由帶正電荷的鈉離子與帶負電荷的氯離子結合而成的化合物。當這些離子進到水裡,就會分離並獨立移動。

 

  藉由把帶正電荷的離子(如鈉或鉀)送到半滲透膜的另一側,科學家就能分出兩池水:一池帶正電荷,一池帶負電荷。此時若把電極浸入水池並用導線連接,電子就會從帶負電荷的一方流向帶正電荷的一方,從而產生電力。

 

  2013年,法國科學家成功製造了薄膜,他們使用一種氮化矽陶瓷薄膜(通常用於電子產業、切割工具和其他用途),由單一孔璧附著的氮化硼奈米管(BNNT,正研究用於高強度複合材料,以及其他用途)的穿孔。由於氮化硼奈米管帶有很高的負電荷,法國研究團隊推測它們可以阻止水中的負電荷離子通過薄膜(因為相同的電荷會相斥)。科學家的預測沒有錯,在淡水和鹽水之間放置帶有單一孔璧附著的氮化硼奈米管薄膜時,正電荷離子從鹽水一側快速移動到淡水一側,而負電荷離子則大部分被阻隔。

 

  由於兩邊電荷極為不平衡,因此科學家推算一平方公尺的薄膜——每平方公分有數百萬個孔——每年大約能產生30百萬瓦時(MWh)的發電量,足夠供應三個家庭使用。

 

  但是,想要製造出郵票尺寸的薄膜幾乎不可能,因為沒人知道怎麼讓所有長而薄的氮化硼奈米管都垂直在薄膜上排列整齊。直到2019年底,羅格斯大學的博士生塞米赫‧塞廷達格(Semih Cetindag)在美國材料研究學會半年一度的研討會上報告,表明團隊已經破解了難題。塞廷達格指出,想取得奈米管很容易,實驗室直接從一間化學供應公司購買到。然後,科學家將這些物質添加到聚合物前驅物中,擴散成6.5微米厚的薄膜。為了把隨機排列的奈米管定向,科學家想要運用磁場的力量,但問題是:氮化硼奈米管沒有磁性。

 

  因此,塞廷達格嘗試在帶負電荷的奈米管塗上帶正電荷的塗層,由於塗層的組成分子太大,無法進入氮化硼奈米管中,因此管道是暢通的。然後,塞廷達格將帶負電荷的磁性氧化鐵顆粒加入混合,使顆粒附著在帶正電荷的塗層上。

 

  這個做法讓羅格斯大學研究團隊得到了他們想要的結果,當科學家為其賦予磁場時,他們就能操控奈米管,使它們大部分排列在聚合物薄膜上。然後,他們用紫外線固化聚合物,使所有東西都固定在原位。最後,研究團隊用電漿束蝕刻薄膜頂部與底部表面的一些材料,以確保奈米管的兩邊暢通。最後一層薄膜每立方公分含有約1000萬個氮化硼奈米管。

 

  當科學家將薄膜放置在一個分離鹽水和淡水的小容器時,它所產生的單位面積功率是之前法國研究團隊實驗中的四倍,或許是他們使用的氮化硼奈米管更窄,因此更有效地阻隔帶負電荷的氯離子。

 

  塞廷達格認為這項技術還能繼續精進,他說:「我們還沒有充分利用薄膜的潛力。」在電漿束進行蝕刻後,只有2%的氮化硼奈米管得以在薄膜的兩側維持暢通,因此科學家目前正嘗試增加薄膜中暢通的氣孔數量。這項技術為藍能的未來撥開了陰霾,為藍能的實際應用開闢了新的可能性。

 

 

原文出處:Science

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