1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

فناوری نوظهور هیدروولتاییک

افراد مقاله : ‌ مترجم - آرمین شماعی زاده

موضوع : آموزش و ترویج - سیاستگذاری و ارزیابی - علم و پژوهش کلمات کلیدی : انرژی تجدیدپذیر - آب - کربن تاریخ مقاله : 1398/08/20 تعداد بازدید : 379

آب دارای انرژی زیادی در انواع مختلفی است، اما مقدار بسیار کمی از این انرژی تا کنون مورد استفاده قرار گرفته است. اثر هیدروولتاییک، پدیده‌ای است که در آن از تعامل بین مواد نانوساختار با آب، الکتریسیته تولید می‌شود. این پدیده نه تنها امکان بهره‌برداری از انرژی آب را فراهم می‌کند، بلکه ساخت دستگاه‌هایی که خودشان نیاز انرژیشان را برطرف می‌کنند، را هم امکان‌پذیر می‌سازد. در این بررسی، که با توصیف خواص اساسی آب و سطح تماس آب-جامد آغاز می‌شود، جنبه‌های کلیدی مربوط به تعامل آب-کربن و سازوکارهای پایه استحصال انرژی آب با مواد نانوساختار مورد بحث قرار گرفته‌اند. در ادامه، پیشرفت‌های تجربی در تولید برق از جریان آب، امواج، تبخیر طبیعی و رطوبت مورد بررسی قرار گرفته‌اند و ارتباط میان سازوکارهای پایه و پتانسیل یکپارچه‌سازی آن‌ها برای استحصال انرژی از چرخه آب نشان داده شده است. در نهایت، کاربرد‌های بالقوه فناوری هیدروولتاییک، چالش‌های اصلی برای بهبود بازدهی تبدیل انرژی و افزایش توان خروجی و چشم‌انداز توسعه این فناوری نوظهور مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.

 

آب بزرگترین حامل انرژی در زمین است. در حدود 71 درصد از سطح زمین از آب پوشیده شده و حدود 35 درصد از انرژی خورشیدی تابیده شده به سطح زمین به‌وسیله‌ی این آب‌ها دریافت می‌شود که مقدار آن در حدود ۶۰ پتاوات (۱۰۱۵ وات) است. اگر فقط بخش کوچکی از انرژی فوق‌العاده موجود در آب استحصال شود می‌تواند تقاضای انرژی جهانی 18 تراوات (1012 وات) را به آسانی برآورده کند. فناوری‌های سنتی علی‌رغم تاریخچه طولانی، تنها بخش کمی از انرژی آب را استفاده می‌کنند. از حدود ۴۰۰ سال قبل از میلاد مسیح، انرژی جنبشی سقوط یا جریان آب، به وسیله چرخ‌آب، که با انتقال مستقیم گشتاور آب در چارچوب مکانیک کلاسیک عمل می‌کرد، به انرژی مکانیکی مفید تبدیل می‌شد. در اواخر قرن نوزدهم، از قدرت آب برای راندن ژنراتورهای الکترومغناطیسی به منظور استحصال توان الکتریکی استفاده شد، که یک روش مبتنی بر الکترودینامیک کلاسیک بود و در حال حاضر به طور گسترده در صنعت برق‌ابی استفاده می‌شود. در سال 1859، کویینک موفق شد با تعامل مستقیم بین آب و جامد، برق تولید کند. در این فرایند، عبور الکترولیت‌ها از یک کانال باریک، تحت گرادیان فشار، باعث ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی در جریان می‌شد. این فرآیند که به آن پتانسیل جریان هم گفته می‌شود بر پایه نظریه الکتروسینتیک بنا شده است. بازدهی تبدیل الکتروسینتیک می‌تواند با استفاده از نانوکانال‌ها با دیواره‌های صاف اتمی، افزایش یابد و از این طریق الهام‌بخش استفاده از نانومواد برای استحصال انرژی آب باشد.

نانومواد، در مقایسه با مواد بالک، به شدت به محرک‌های خارجی حساس هستند و می‌توانند برای بهره‌برداری از حالت‌های غنی‌تری از انرژی آب، که از طریق فناوری‌های معمول قابل دسترس نیستند، مورد استفاده قرار گیرند. در میان نانومواد مختلف، روش‌های سنتز نانومواد کربنی ازجمله گرافن و نانو‌لوله‌های کربنی به سطح بالایی از بلوغ رسیده و می‌توان از آن‌ها برای تولید انبوه نمونه‌های با کیفیت بالا در ابعاد مختلف استفاده کرد. علاوه‌بر این، از آن‌جایی که در نانومواد کربنی، بیشتر اتم‌ها بر روی سطح قرار دارند، می‌توان از طریق اتصال الکترونی، تعامل قابل ملاحظه‌ای بین این اتم‌ها و مولکول‌های آب ایجاد کرد. به همین ترتیب، آزمایش‌های اخیر نشان دادند که تولید برق از نانومواد کربنی در مواجهه با جریان آب، امواج و باران، بر خلاف پتانسیل جریان، نیازی به گرادیان فشار ندارد. این پیشرفت‌های جدید نه تنها نظریه الکتروسینتیکی کلاسیک را بسط می‌دهد، بلکه توانایی استحصال انرژی آب بر پایه اصول سنتی را نیز گسترش می‌دهد.

اما انرژی نهفته در آب  بیش از اینهاست؛ تبخیر، که انرژی حرارتی محیط را به گرمای نهان تبخیر تبدیل می‌کند. تبخیر یک گرم آب، 2.26 کیلوژول انرژی را از مایع به بخار منتقل می‌کند. این مقدار انرژی حدودا معادل انرژی موجود در یک باتری AAA است. انرژی تبخیر جهانی حدود 66٪ (40 پتاوات) از کل انرژی مصرف شده به‌وسیله‌ی آب را به خود اختصاص داده، که باعث ایجاد شار متوسط ​​انرژی با بیشینه 80 Wm-2 می‌شود. اگرچه میزان کار مکانیکی حاصل از تبدیل آب جوش به بخار، مدت‌ها برای به حرکت در‌اوردن موتورهای بخار استفاده شده است، اما انرژی فراوان حاصل از تبخیر طبیعی، هنوز مورد بهره‌برداری قرار نگرفته است. اما با آزمایش تبدیل مستقیم انرژی تبخیر به اختلاف پتانسیلی در مقیاس ولت، با استفاده از مواد کربنی نانوساختار به نام کربن سیاه، وضعیت تغییر کرده است. مواد کربنی امکان یک واکنش منحصربه‌فرد با بخار آب را ایجاد می‌کنند که نشان می‌دهد پتانسیل بسیار زیادی برای بهره‌برداری از این منبع فراگیر وجود دارد.

تولید برق از طریق واکنش مستقیم نانوساختارهای کربن با آب روان، مواج، رهاشده از ارتفاع و تبخیر آب، منجر به ظهور یک اثر تبدیل انرژی نوین در مواد می‌شود که اثر هیدروولتاسیون نام دارد. این اثر می‌تواند به صورت موازی با سایر روش‌های تبدیل انرژی مانند اثر فتوولتائیک انجام پذیرد، اما نقش پررنگ‌تری در تبدیل انرژی آب به توان الکتریکی از طریق اتصال الکتریکی بین مواد و آب دارد، که اخیرا به‌وسیله‌ی آزمایش‌های متعددی تایید شده است. با این حال، بر خلاف سایر روش‌های تبدیل انرژی که به خوبی بررسی شده‌اند، تحقیقات در مورد اثر هیدروولتاییک در دوران ابتدایی خود است و نیازمند تلاش‌های مداوم برای تحقق بخشیدن به توان بالقوه آن است. در ادامه، پیشرفت‌های اخیر این پدیده را، با استفاده از نانومواد کربنی، با تمرکز ویژه بر الکتریسیته ناشی از تبخیر بررسی می‌کنیم.

 

۱- خواص پایه‌ای آب و فصل مشترک آب - جامد
از آن‌جا که آب کلیدی‌ترین بخش اثر هیدروولتاییک است، ابتدا خواص اساسی آن را مورد بحث قرار می‌دهیم. یک مولکول آب از دو اتم هیدروژن که با پیوند‌های کووالانسی به یک اتم اکسیژن متصل شده‌اند و با زاویه 104.5 درجه نسبت به اتم اکسیژن قرار دارند، تشکیل شده است. مولکول آب به علت انتقال الکترون از اتم هیدروژن به اتم اکسیژن (شکل 1-ب) قطبی است و دارای گشتاور دوقطبی الکتریکی e nm ۰.۳۹ است که در آن e بار الکترون است. اتم‌های اکسیژن با بار منفی و اتم‌های هیدروژن با بار مثبت در مولکول‌های مختلف، وقتی که فاصله بین دو اتم اکسیژن کمتر از 0.35 نانومتر باشد و زاویه O-H... O کمتر از 30 درجه باشد می‌تواند پیوند هیدروژنی تشکیل دهد. انرژی پیوند هیدروژن eV 0.16 است که ضعیف‌تر از یک پیوند کووالانسی O-H با انرژی eV 4.76 و بیشتر از نیروی واندروالسی با انرژی حدود eV 0.08 است. در آب بالک، یک شبکه پیوند هیدروژنی در اطراف یک مولکول معمولا همسایگی موضعی چهاروجهی  ایجاد می کند، که در آن، دو مولکول به عنوان گیرنده و دو مولکول دیگر به عنوان دهنده عمل می‌کنند (شکل ۱-ج). هر مولکول حداقل با یک پیوند هیدروژنی با همسایگانش پیوند برقرار می‌کند. فرآیند پویای آب مایع، شامل ایجاد و شکستن پیوندهای هیدروژنی است. در یک محلول یونی، هر یون تک‌ظرفیتی می‌تواند از طریق جاذبه کولومب به‌وسیله‌ی شش مولکول آب، هیدراته شود (شکل 1-د).

پیوندهای هیدروژن برای تغییر فاز آب ضروری است. هنگامی که یک مولکول آب در نزدیکی سطح مایع، انرژی جنبشی کافی برای شکستن پیوندهای هیدروژنی را داشته باشد، تبخیر شده و وارد هوا می‌شود. دمای مایع به علت انرژی جنبشی کمتر مولکول‌های باقی‌مانده کاهش می‌یابد. سپس مایع از محیط، گرما جذب می‌کند (اگر سیستم باز باشد) تا انرژی جنبشی مولکول‌های آب باقی‌مانده را افزایش داده و باعث ادامه تبخیر شود. ماهیت پویایی قوی پیوندهای هیدروژنی، امکان انتقال پروتون‌ها درون محیط شامل پیوند‌های هیدروژنی، از H3O+ به مولکول آب مجاور یا از یک مولکول آب به یک OH- مجاور را فراهم می‌کند (شکل ۱-د، فلش‌های ساده) ، مانند انتقال یک حامل حفره در نیمه‌هادی‌ها. وزن سبک هیدروژن باعث اثرات کوانتومی قوی تحت دمای متوسط ​​و کم در هسته آن می‌شود. نتیجه این اثرات کوانتومی بر خواص آب به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. اثرات کوانتومی، پیوندهای هیدروژنی قوی را قوی‌تر کرده و پیوندهای هیدروژنی ضعیف را ضعیف‌تر می‌کند، که در نتیجه باعث تغییر ساختار آب مایع می‌شود.

برای درک چگونگی انتقال موثر انرژی از آب به جامدات، نیاز به درک تعاملات بین سطوح آب و جامد است. هنگامی که آب با جامدات تماس پیدا می‌کند، لایه‌هایی از آب در نزدیکی فصل مشترک شکل می‌گیرند (شکل 1-د، خط‌چین آبی) ، که موجب تشکیل ساختارهایی مفصل شده که وابسته به خواص ترشوندگی سطوح جامد هستند. مولکول‌های آب، پیوند‌های هیدروژنی با بسترهای آبدوست تشکیل می‌دهند و در نتیجه ساختارهای همگن را به وجود می‌اورند (همان‌طور که به صورت شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است) ، در حالی که تعامل آب با بستر‌های آبگریز، ضعیف‌تر است. هنگامی که یک محلول آبی در تماس با بار سطحی جامد قرار می‌گیرد (شکل ۱-ه) ، تعامل فصل مشترک به‌وسیله‌ی یک دولایه الکتریکی (EDL) صورت می‌پذیرد که در سال 1853 هلم‌هولتز معرفی کرده است. لایه‌ی اول این دولایه‌ی الکتریکی، یک لایه یون سطحی است که پیوند محکمی با سطح جامد دارد، و به‌عنوان لایه استرن[1] شناخته می‌شود. لایه دوم نیز، لایه‌ای است که یون‌های با بار مخالف بر روی سطح آن جذب شده‌اند، و به عنوان لایه انتشار شناخته می‌شود (شکل ۱-ز). دولایه الکتریکی یک میدان الکتریکی قوی ایجاد می‌کند که باعث تشکیل یک گرادیان شدید پتانسیل در عرض آن می‌شود. مرز بین لایه‌های استرن و انتشار، یک صفحه برشی است که پتانسیل الکتریکی آن پتانسیل زتا نامیده می‌شود. مقدار این پتانسیل با افزایش غلظت یونی و pH کاهش می‌یابد، که برای محلول‌های NaCl معمولا بین meV 80- تا meV 80 متغیر است. فاصله بین صفحه برشی و نزدیکترین محدوده مایع بالک، طول دبای[2] نام دارد (که در محدوده 1 تا 100 نانومتر است) ، که در آن چگالی یون‌های با بار مخالف با دور شدن از صفحه برشی کاهش می‌یابد.

 

۲- مواد کربنی نانوساختار
مواد نانوساختار، حساسیت قابل توجهی نسبت به گونه‌های جذب شده نشان می‌دهند، که به واسطه همبستگی انرژی فضایی-زمانی در مقیاس نانو تعیین می‌شود. به همین ترتیب، آن‌ها یکی دیگر از عناصر کلیدی اثر هیدروولتاییک هستند. هنگامی که مقیاس فضایی از مقیاس ماکرو تا نانو کوچک می‌شود، مقیاس زمانی به نانوثانیه و حتی فمتوثانیه کاهش می‌یابد. بدین ترتیب مقیاس انرژی مربوط به یک میدان خارجی اعمال شده تا ۱۸-۱۰ ژول، یا یک آتوژول (10-18 J = 1 nN × 1 nm = 6.42 eV) کاهش می‌یابد. این مقیاس در حدود مقیاس انرژی میدان‌های موضعی ماده، یعنی اوربیتال‌ها، بارها و جهت‌های اسپین است. بنابراین، در مقیاس نانو، میدان‌های موضعی و خارجی اعمال شده می‌توانند به شدت جفت شده و رفتارهای ماده را نسبت به حالت توده‌ای آن به شدت تغییر دهد. جفت‌شدن چند میدان در مقیاس نانومتر، نانومواد کربنی را به نانوساختارهای کاربردی تبدیل کرده که برای تبدیل اشکال مختلف انرژی آب مطلوب است.

یکی از مهمترین نانومواد کربنی، گرافن است، که از یک لایه گرافیت با یک شبکه لانه زنبوری تشکیل شده است. پیوندهای C-C غالبا به صورت پیوندهای σ قوی داخل صفحه بوده، و تعدادی پیوند π خارج از صفحه هم در کنار آن‌ها وجود دارد (شکل 2-الف). خواص الکترونیکی فراوان گرافن، مانند فرمیون‌های جدید دیراک، عمدتا از پیوند‌های π که به صورت متقارن در دو زیرشبکه قرار می‌گیرند، نشات می‌گیرند. تمام پیوند‌های π در سطح قرار دارند و می‌توانند به طور قابل ملاحظه‌ای با گونه‌های خارجی و میدان‌های فیزیکی ارتباط برقرار کنند. این ویژگی‌ها گرافن را به یک ماده مناسب در حوزه هیدروولتاییک تبدیل کرده است. از آن‌جایی که پیوند‌های π نسبتا فعال هستند، گرافن را می‌توان از طریق ایجاد پیوند با گروه‌های شیمیایی مختلف عامل‌دار کرد، که در تعامل آن با گونه‌های خارجی مانند یک واسطه عمل می‌کند.

گرافن، پیش‌ماده هندسی نانوساختارهای مختلف کربنی است. از چرخش گرافن حول یکی از محورهای آن می‌توان آن را به نانولوله‌های کربنی و فولرین‌ها تبدیل کرد و یا می‌توان آن‌ها را به نانوپولک‌ها تبدیل کرد. در اصل، انحنای نانولوله‌های کربنی باعث می‌شود که اکثر پیوند‌های π بر روی سطح بیرونی لوله قرار گیرند، که موجب افزایش واکنش‌پذیری شیمیایی آن برای ایجاد اتصال با آب، در مقایسه با گرافن است. نانولوله‌ها یک فضای نانویی یک‌بعدی مطلوب برای تشکیل ساختارهای آبی جدید، و برای انتقال سریع آب فراهم می‌کنند. شبیه‌سازی‌های اولیه نشان می‌دهد که حرکت پروتون در طول زنجیره‌های آب در نانولوله‌ها 40 برابر بیشتر از آب بالک است. نانولوله‌ها و گرافن را می‌توان به مواد نانوساختاری سه‌بعدی کربنی، مانند فیلم‌های نانولوله‌های کربنی، فیبر‌ها، اسفنج‌ها، فوم‌ها و کربن سیاه تعمیم داد (شکل 2-ب). کربن تشکیل‌دهنده این مواد عمدتا از طریق اتصالات واندروالس به یکدیگر متصل می‌شوند، و در نتیجه خواص کلیدی گرافن را حفظ می‌کنند. به طور خاص، صفحات کربن‌سیاه از نانوپولک‌های متعدد گرافن و اکسید گرافن تشکیل شده‌اند که یک حجم از نانوکانال‌ها را ایجاد کرده و امکان تعامل مولکول‌های آب با تقریبا تمام اتم‌های کربن را فراهم می‌کند.

محاسبات بر اساس نظریه تابع چگالی با اصلاح واندروااسی نشان می‌دهد که یک تک مولکول آب جذب شده بر روی ورقه گرافنی دارای انرژی اتصالی در حدود ۰.۲ الکترون‌ولت است و 0.008 الکترون از گرافن به آب منتقل می‌شود (شکل 2-ج) هنگامی که گرافن به‌وسیله‌ی یک گروه هیدروکسیل عامل‌دار می‌شود، تعامل کولمبی بین مولکول آب و گرافن افزایش می‌یابد که باعث افزایش انرژی اتصال به حدود ۰.۴ الکترون‌ولت و انتقال بار به 0.014 الکترون می‌شود (شکل 2-ج) در نقص‌ها و لبه‌های گرافن نیز افزایش اتصال آب اتفاق می‌افتد. به عنوان مثال، یک لبه زیگزاگ هیدروژنه و تک‌ظرفیتی می‌تواند به ترتیب ۰.۰۱ و ۰.۰۲۴ الکترون به هر مولکول آب بدهند. علاوه‌بر نانوکانال‌ها، صفحات کربن سیاه دارای تعداد زیادی نقص، لبه و گروه‌های عاملی هستند (شکل 2-ب) ، که در نتیجه آن‌ها را مخصوصا برای تعامل با بخار آب حاصل از تبخیر، مناسب کرده است.

در محلول‌های آبی، یون‌ها در تعامل با گرافن غالب می‌شوند. محاسبات نشان می‌دهد که کاتیون‌های ایزوله در مقایسه با آنیون‌ها راحت‌تر به یک ورق گرافن مستقل متصل می‌شوند. اما برای یون‌های در محلول آبی، هیدراسیون این برتری را خنثی می‌کند (شکل ۲-د، چپ). با این حال، در شرایط واقعی، گرافن، به ویژه هنگام تعامل با آب نیاز به یک بستر دارد. از آن جایی ضخامت گرافن فقط به اندازه یک اتم است، نمی‌تواند به طور کامل بار بستر را تعیین کند. یون‌های درون آب که بارمخالف سطح بستر دارند، به سطح گرافن متصل شده تا غلظت بستر را نشان دهند، که باعث ایجاد یک دولایه الکتریکی بر روی گرافن می‌شود (شکل 2-د، راست). حامل‌های بار آزاد در گرافن به علت هدایت الکتریکی خوب و تحرک زیاد بار در گرافن به تشکیل دولایه الکتریکی بسیار واکنش نشان می‌دهند.

 

۳- تولید برق از اثرات الکتروسینتیک
همان‌طور که ذکر شد، هنگامی که یک سیال با یک جامد باردار تماس پیدا کند، یک دو‌لایه الکتریکی در حدفاصل آن‌ها ایجاد خواهد شد. دولایه الکتریکی، از یک لایه استرن ثابت بر روی یک سطح جامد و یک لایه انتشار حاوی یون‌های ناهم‌نام تشکیل شده است. اعمال یک نیروی خارجی می‌تواند بر لایه نفوذ تأثیر گذاشته و باعث ایجاد یک حرکت نسبی بین سیال و جامد شود که اثر الکتروسینتیک نامیده می‌شود. در ابتدا این اثر شامل الکتروفورز و الکترواسموز می‌شد. الکتروفورز، حرکت ذرات تحت میدان الکتریکی بود که در سال ۱۸۰۷ کشف شد، و الکترو اسموز، حرکت سیال تحت میدان بود، که در سال ۱۸۰۹ کشف شد. کویینک در سال 1859 مشاهده کرد که حرکت الکترولیت‌ها در یک کانال باریک، تحت گرادیان فشار، باعث تولید ولتاژ در مایع می‌شود، که ولتاژ جریان نام دارد. این نشان‌دهنده اولین الکتریسیته تولید شده از طریق تعامل میان حدفاصل بین آب و مواد جامد بود. بعدها، مشتقات بسیاری از پتانسیل جریان، مانند پتانسیل رسوب‌گذاری و پتانسیل ارتعاش کلویید و یون یافت شدند. در سال ۲۰۱۴، ترکیب پتانسیل جریان با نانومواد کربنی، منجر به تعمیم این پتانسیل‌ها به پتانسیل‌های تشکیل‌دهنده امواج و کشش شد.

پتانسیل جریان. هنگامی که آب در یک فضای باریک با ابعادی نزدیک به طول دبای محلول، محدود می‌شود، به دلیل همپوشانی دولایه الکتریکی، (شکل 3-الف) فضا به طور عمده به‌وسیله‌ی یون‌های با بار مخالف اشغال می‌شود. جریان هیدرودینامیکی پیشران در فضا با یک گرادیان فشار، باعث انتقال یون‌های با بار مخالف به پایین‌دست و در نتیجه تشکیل جریان الکتریکی شده، تا یک ولتاژ ثابت در جریان کانال شکل بگیرد و مانع انتقال بیشتر بار‌های یونی شود. این جریان پایدار به عنوان جریان جریان [3]شناخته می‌شود که متناسب با سرعت جریان، گرادیان فشار و ارتفاع کانال است (شکل 3-ب). آزمایش اخیر دکر و همکارانش نشان داد که میزان هدایت جریان با کاهش غلظت حل‌شونده افزایش می‌یابد و زمانی که غلظت کمتر از حدود ۵-۱۰ تا ۳-۱۰ مولار است، به حالت اشباع می‌رسد. در غلظت‌های پایین نمک، بار روی دیواره‌های کانال، به عنوان عامل کنترل جریان جریان در نظر گرفته شد، که علت آن احتمالا به واسطه انتقال سریع پروتون در امتداد کانال‌هاست. بازده تبدیل الکتروسینتیک در مقدار‌های کم نمک به بیشترین مقدار خود می‌رسد. با این حال، جالب توجه است که جریان جریان در آب دیونیز، به ویژه در یک کانال به ارتفاع 563 نانومتر، حتی از آب یونیزه هم بیشتر است (شکل 3-ب).

کاهش حجم کانال به نسبت نانومواد، به دلیل بهبود همپوشانی دولایه الکتریکی، موجب افزایش جریان جریان می‌شود. اگرچه باعث افزایش اصطکاک بین جریان و دیوار کانال می‌شود. انرژی جریان در نانوکانال‌ها تا حد زیادی به‌وسیله‌ی امپدانس مایع از بین می‌رود، که باعث محدود شدن بازدهی تبدیل الکتروسینتیک به 12٪ در مطالعات نظری و به حدود 3٪ در آزمایشات تجربی شده است. این اصطکاک را می‌توان با استفاده از یک دیواره لغزنده کاهش داد. در واقع نانولوله‌های کربنی و نانومواد دارای خاصیت مویینگی که از پولک گرافیت چند‌لایه ساخته شده‌اند، سرعت جریان آب را بسیار افزایش داده، و دارای طول‌های لغزش جریان در حدود چند ده میکرومتر هستند. بازده تبدیل الکتروسینتیک پیش‌بینی شده برای سیستم‌هایی با چنین طول لغزش زیاد می‌تواند به بیش از ۳۰ درصد برسد. عامل‌دار کردن نانولوله‌ها و پولک‌های گرافیت با گروه‌های شیمیایی می‌تواند پتانسیل جریان را دقیقا تنظیم کند، اما طول لغزش آب یونی را کوتاه می‌کند. علاوه‌بر این، نظریه‌پردازان راهکارهایی مانند اعمال میدان‌های مغناطیسی و همچنین استفاده از محلول‌های پلیمری و یون‌های بزرگ را برای افزایش بازدهی پیشنهاد می‌کنند.

با توجه به کارایی محدود و پایین بودن چگالی توان این نوع جریان، قبل از کاربرد وسیع، نیاز به توسعه بیشتر آن وجود دارد. پیشرفت‌های اخیر به روش‌های مکمل برای افزایش چگالی توان اشاره دارد. اولین راهکار کوتاه کردن کانال است، زیرا انتقال آب با طول کانال نسبت عکس دارد. جریان آب از طریق یک نانومنفذ MoS2 با ضخامت سه اتم، که به وسیله اختلاف شوری در دو سر منفذ ایجاد می‌شود، می‌تواند ولتاژی به بزرگی ده هزار میلی‌ولت و جریانی به بزرگی ده‌ها نانوآمپر ایجاد کند. دومین راهکار یکپارچه کردن چندین نانوکانال با رویکرد موازی‌سازی است. آرایه‌ی حفره‌های بر پایه نانولوله‌های کربنی و غشاهای هیدروژل گرافن می‌توانند چگالی توان بالایی در اثر عبور جریان آب از نانوکانال‌هایشان ایجاد کنند. در نهایت، مطالعات بیشتری برای پاسخ به سوالات مهم در رابطه با انتقال نانوسیال در سطح اتمی، مانند منشأ بار دیواره کانال، چگونگی واکنش مولکول‌های آب به بار دیواره، نیازمند است. پاسخ به این سوالات و دیگر چالش‌های این حوزه، کمک شایانی به طراحی سیستم‌های الکتروسینتیک با بازدهی بالا خواهد کرد.

پتانسیل کشش. هنگامی که آب یونی به صورت یک قطره بر روی گرافن است، دولایه الکتریکی فقط در بخشی از گرافن که زیر قطره قرار دارد تشکیل می‌شود. همان‌طور که قطره بر روی گرافن کشیده می‌شود تا حرکت کند، تشکیل دولایه الکتریکی در جلوی کشش باعث جذب بار‌ها از گرافن شده، در حالی که از بین رفتن دولایه الکتریکی در پشت دولایه الکتریکی باعث بازگشتن بارها به گرافن می‌شود (شکل ۳-ج) شارژ و تخلیه بار شبه‌خازن در جلو و پشت قطره باعث ایجاد یک ولتاژ الکتریکی در گرافن شده که به آن پتانسیل کشش می‌گویند. ولتاژ V و جریان I با سرعت v و تعداد قطرات n متناسب هستند شکل ۳-د) که به صورت تناسب V, I ∝nC0ν، نشان داده می‌شود که در آن C0 بیانگر ظرفیت شبه‌خازن در واحد سطح است. پتانسیل کشش را می‌توان برای استحصال انرژی باران به کار برد. ولتاژ الکتریکی تولید شده در اثر افتادن یک قطره باران بر روی یک صفحه گرافن مایل، چند ده برابر بزرگتر از ولتاژ حاصل از کشیدن یک قطره با اندازه مشابه است (شکل 3-ز، ح) ، که به دلیل سرعت پخش شدن قطره باران روی سطح است.

پتانسیل امواج.، آب مواج در مقایسه با قطرات آب، فراوان‌تر است و انرژی بسیار بیشتری نیز دارد که می‌تواند به شیوه‌ای مشابه با پتانسیل کشش استخراج شود. هنگامی که گرافن روی سطح آب قرار می‌گیرد، دولایه الکتریکی باعث ایجاد یک مرز دینامیکی در حد فاصل مایع-گاز می‌شود و منجر به شارژ شدن شبه‌خازن می‌شود. در نتیجه ولتاژی در گرافن القا می‌شود (شکل 3-ه). بیرون کشیدن گرافن از سطح آب به دلیل فرآیند تخلیه بار در مرز، باعث ایجاد یک ولتاژ معکوس می‌شود. این ولتاژ القا شده از موج اخیرا به‌وسیله‌ی یین و همکارانش مشاهده شد و پتانسیل امواج نام گرفت. با حرکت دادن یک صفحه گرافیت 2 سانتی‌متر × 10 سانتی‌متر بر روی سطح آب، با سرعت ۱ متر بر ثانیه، ولتاژ مدار بازی معادل ۰.۱ ولت و جریان اتصال کوتاهی معادل ۱۱ میکرو‌امپر حاصل می‌شود. بر اساس مدل دولایه‌ الکتریکی، ولتاژ و جریان را می‌توان به صورت V=RsqC0Lν ، I=C0Wν ، که در آن Rsq مجذور مقاومت گرافن و L و W به ترتیب طول و عرض صفحه گرافن در زیر آب است، محاسبه کرد. بنابراین، ولتاژ و جریان متناسب با سرعت صفحه هستند (شکل ۳- و) و می‌توانند به ترتیب به‌وسیله‌ی اتصالات سری و موازی صفحات گرافن تا چند برابر افزایش یابند.

آزمایش‌ها نشان می‌دهند که پتانسیل امواج و کشش تا حد زیادی بستگی به بستر زیر گرافن دارد. پلی‌تترافلوئورو‌اتیلن در مقایسه با یک پلیستر ترفتالات، چگالی بار بالاتری در روی سطح خود دارد و در نتیجه C0 بزرگتری را در مرز مشترک کربن-آب ایجاد می‌کند، بنابراین توان حاصل از کشیدن یک قطره بر روی گرافن قرار گرفته بر روی یک زیرلایه پلی‌تترافلوئورو اتیلن 100 بار بزرگتر است. کشش یک قطره روی یک بستر پیزوالکتریک پلی‌وینیلیدین‌فلوراید، به علت فشار قطره، بار بیشتری را بر روی سطح زیرلایه وارد می‌کند. بنابراین شارژ و تخلیه در جلو و عقب قطره، با اثر پیزوالکتریک افزایش می‌یابد، که در نتیجه ولتاژ القایی در گرافن، حتی با آب دیونیزه در حدود ۰.۱ ولت خواهد بود. بار موجود در قطره فقط به یون‌ها محدود نمی‌شود، بلکه می‌تواند به دیگر گونه‌های باردار مانند نانوصفحات اکسید گرافن هم گسترش یابد.

 

پتانسیل القا شده از جریان
در بسیاری از مطالعات، پتانسیل القا شده از جریان در نانوساختارهای کربنی فراتر از محدوده پتانسیل جریان است. در سال 2001، کرال و شاپیرو پیشنهاد کردند که جریان آب در امتداد نانولوله کربنی باعث تحریک باد فونون در لوله‌ها شده، که می‌تواند حامل‌های بار آزاد را در نانولوله کربنی به حرکت در امتداد جریان به حرکت درآورد. آن‌ها همچنین برآورد کردند که یک لایه فشرده نانولوله‌های کربنی با عرض 1 میلیمتر می‌تواند جریانی معادل ۱ میلی‌آمپر تولید کند. درون یک نانولوله کربنی، مولکول‌های آب در جریان می‌توانند برای ایجاد یک میدان کولمب پویا هم راستا شده، که باعث کشش حامل‌های آزاد در نانولوله کربنی و ایجاد جریان می‌شود (شکل ۲-ه). به نظر می‌رسد که سان و همکارانش به طور تجربی این نوع کشش الکترون درنانولوله کربنی را مشاهده کردند. آن‌ها با اعمال جریان به یک انتهای نانولوله کربنی مستقل، با این اثر که مولکول‌های آب هنگام قرار گرفتن در معرض بخار آب، برای جریان در داخل نانولوله کربنی جذب آن می‌شوند، یک ولتاژ چند میلی‌ولتی در انتهای دیگر نانولوله کربنی مشاهده کردند.

ولتاژ ناشی از جریان در نانوفیلم‌های نانولوله‌های کربنی و گرافن مورد توجه بیشتری قرار گرفته‌اند. در سال ۲۰۰۳، قوش و همکارانش دریافتند که جریان آب بر روی شکاف 1 میلی‌متری بین دو الکترود طلا که از پودر نانولوله‌های کربنی پرشده می‌تواند باعث ایجاد یک ولتاژ میلی‌ولتی شود. آن‌ها این ولتاژ را به تحریک حامل‌های بار آزاد در نانولوله‌های کربنی، به وسیله میدان الکتریکی کولومبی نوسانی، نسبت می‌دهند. این توضیح بعدا مورد بحث قرار گرفت. اگرچه پتانسیل جریان معمول نمی‌تواند این ولتاژ را توجیه کند چرا که هیچ گرادیان فشاری اعمال نشده است.کشش کولومب نیز بعید است زیرا هیچ همبستگی آشکاری بین جریان آب و پودر نانولوله‌های کربنی وجود ندارد. در سال 2011، دیمان و همکاران ولتاژ‌های الکتریکی ناشی از جریان فیلم‌های گرافن غوطه‌ور شده در محلول هیدروکلریک اسید را گزارش کردند. شبیه‌سازی دینامیک مولکولی آن‌ها بیانگر جهش یون‌های سطحی مانند منبع الکتریسیته است. با این وجود، یین و همکاران دریافتند که ولتاژ‌های الکتریکی از تعامل بین الکترودهای بدون پوشش و آب است. در گرافن غوطه‌ور در جریان، هنگامی که الکترود‌ها آب‌بندی شده باشند هیچ ولتاژ قابل اندازه‌گیری مشاهده نمی‌شود. این نتایج بعدها به‌وسیله‌ی آزمایش‌های گروه‌های مختلف تایید شد. بنابراین، الکترود‌های بدون پوشش و کاتالیزورهای فلز باقی‌مانده در نانولوله‌های کربنی می‌تواند منجر به تولید برق و ایجاد نتایج بسیار متضاد شود.

 

۴- برق ناشی از تبخیر طبیعی آب
در مقایسه با تمام اثرات الکتروسینتیک فوق‌الذکر که نیاز به ورودی کار مکانیکی دارند، اثر هیدروولتاییک که مبتنی بر تبخیر طبیعی آب است، انرژی حرارتی محیط را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. در مقایسه با دیگر اشکال انرژی آب در حال حرکت، آب در حال تبخیر یک منبع انرژی مستقیم نیست، بلکه یک محیط برای تبدیل حرارت محیط به برق است. علاوه‌بر این، تبخیر برای تولید برق به طور گسترده و خود‌به‌خودی است، و اثر جانبی آن هم خنک‌سازی محیط است. به عنوان مثال، کل توان تبخیر طبیعی دریاچه‌ها و مخازن آب سرزمین اصلی ایالات‌متحد آمریکا به حدود 325 گیگاوات می‌رسد که بیش از 69 درصد میزان تولید برق در ایالات‌متحده در سال 2015 است. این آمار و ارقام، اهمیت توسعه فناوری کارآمد برای استحصال انرژی از تبخیر طبیعی آب را نشان می‌دهد.

بخار آب حاصل از تبخیر، در مقایسه با آب بالک یونی، تعامل ضعیف‌تری با مواد دارد. یک راهکار برای تقویت این تعامل، استفاده از مواد کربنی متخلخل به منظور بیشینه کردن سطح تعامل کربن-بخار در واحد حجم است. همان‌طور که در بالا توضیح داده شد، یکی از مواد قابل انتخاب صفحه‌های کربن سیاه است که هنگام وارد شدن بخشی از آن داخل آب دیونیزه می‌تواند آب را از طریق فشار مویینگی نانوکانال‌ها بالا بکشد. این فرآیند تبخیر در شرایط محیطی می‌تواند به طور مداوم یک ولتاژ الکتریکی تا 1 ولت را در یک صفحه کربن سیاه در مقیاس سانتیمتر، تولید کند (شکل 4-الف). ولتاژ القا شده با طول مویینگی آب افزایش می‌یابد و بعد از زمانی که آب به حداکثر ارتفاع مویینگی می‌رسد تقریبا ثابت می‌ماند. عوامل موثر بر میزان تبخیر آب، مانند باد، افزایش دما و کاهش رطوبت نسبی، ولتاژ القایی را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهند. با استفاده از اتصالات سری و موازی دستگاه‌های متعدد، می‌توان مقدار کافی برق القا شده، برای تأمین برق مورد نیاز وسایل برقی تجاری را فراهم کرد. چاپ جوهری می‌تواند چسبندگی صفحه‌های کربن سیاه لایه‌نشانی شده به کمک شعله، بر روی بسترها را افزایش دهد، و موجب استحکام ساختار دستگاه‌ها شود.

کربن سیاه اصلاح شده به‌وسیله‌ی پلاسمای اکسیژن، دارای گروه‌های اکسیژن متعددی مانند C-O-C، C=O و O=C-OH است. در تماس با آب، این گروه‌های شیمیایی با آب تبادل بار کرده، که میزان این تبادل بار تا دو برابر بیشتر از تبادل بار بین آب و گرافن اولیه است. جریان آب که به‌وسیله‌ی تبخیر هدایت می‌شود، باعث تشکیل یک گرادیان در امتداد جهت جریان شده و یک ولتاژ الکتریکی را در صفحات کربن سیاه ایجاد می‌کند. بخش‌های دیگر ولتاژ ممکن است ناشی از پتانسیل جریان و پتانسیل امواج باشد. مکانیزم دقیق تولید الکتریسیته در این روش نیاز به مطالعه بیشتر دارد. شکی نیست که الکتریسیته ناشی از تبخیر پدیده‌ای فراتر از پتانسیل جریان سنتی است. با توجه به مزایای بسیار در مقایسه با سایر اثرات هیدروولتاییک، استحصال برق از طریق تبخیر طبیعی، نیاز به توجه ویژه دارد.

 

۵- برق ناشی از رطوبت
در ادامه می‌توان آب تبخیر شده را با استفاده از نانوساختار‌های مختلف کربن مانند اکسیدگرافن، فیلم‌های کربن متخلخل، و چارچوب‌های پلی‌پیرول و حتی شبکه‌های TiO2 با نانوکانال‌های باردار متعدد، برای ایجاد گرادیان رطوبت که یکی دیگر از مکانیزم‌های استحصال انرژی از آب است، کنترل کرد. کیو و همکارانش موفق به دستیابی به یک پتانسیل زیر یک ولت و چگالی جریان چند ده میلی‌آمپر بر سانتی‌مترمربع شدند، که در نتیجه یک چگالی توان تا 1 میلی‌وات بر سانتی‌مترمربع در یک چارچوب اکسیدی حاصل شد. از آن‌جایی که این مواد کربنی طوری طراحی شده بودند که شامل گرادیان‌های گروه‌های اکسیژن‌دار (شکل 4، پیوست II) و یا یون‌ها باشند، الکتریسیته ناشی از رطوبت، حاصل انتشار شیمیایی پروتون‌ها به واسطه گرادیان از آب یا یون‌هایی بود که با توجه به تغییرات رطوبت، با گونه‌های باردار موجود در مواد واکنش می‌دهند. با این حال مکانیزم دقیق باید بیشتر مورد مطالعه قرار گیرد. فیلم‌های اکسید گرافن بدون گرادیان شیمیایی هم می‌توانند یک ولتاژ مشابه، اما با تراکم چگالی ناچیز در مقیاس میکرو‌‌آمپر بر سانتی‌مترمربع تولید کنند.

همچنین چند آزمایش استحصال انرژی بخار آب به وسیله یک اثر انبساط مرطوب بر اساس موادی که با جذب آب منبسط‌ می‌شوند و با از دست دادن آب منقبض می‌شوند، گزارش کرده‌اند. بر خلاف اثر هیدروولتاییک، این اثر کار مکانیکی را به شیوه‌ای فیزیکی شبیه به یک موتور بخار انجام می‌دهد، که نیاز به یک ماده‌ای دارد که واکنش قابل توجهی در برابر بخار آب و تغییرات رطوبت زیاد تا 90 درصد، داشته باشد. تحقیقات نشان داده‌اند که شبکه‌های کامپوزیت پلیمری، پلیمرهای کریستالی مایع و هاگ‌های باسیلوس، این انرژی رطوبت را به انرژی مکانیکی قابل استفاده تبدیل می‌کنند. فیبرهای اکسید گرافن تابیده هم در تغییر شکل ناشی از خیس شدن که در طراحی محرک‌ها، موتورها و روبات‌ها استفاده می‌شود، عملکرد خوبی نشان داده‌اند.

 

اثر هیدرولتاییک در سایر نانومواد
اثر هیدرولوولتاییک تنها به نانومواد کربنی محدود نمی‌شود، بلکه می‌تواند در سایر مواد هم در صورت داشتن شرایط خاصی مشاهده شود. به عنوان مثال با در نظر گرفتن پتانسیل کشش و امواج، ماده باید به اندازه کافی نازک باشد تا تعاملی کارآمد بین یون‌های درون آب و بارهای روی زیرلایه‌ها ایجاد شود (شکل 2-د). در عین حال، ماده باید برای هدایت الکتریسیته به اندازه کافی رسانا باشد. یک مثال نقض، صفحات چندلایه گرافن است که بیش از حد رسانا بوده (یعنی Rsq بسیار کوچک) و بار زیرلایه را به شدت غربالگری می‌کنند، در نتیجه باعث ایجاد ولتاژ الکتریکی شده که یک مرتبه کوچکتر از گرافن تک‌لایه است. بنابراین، هر ماده‌ای که نسبت بین ضخامت و هدایت آن مناسب باشد، برای تحقق پتانسیل امواج و کشش مناسب است. با توجه به این معیار، ولتاژ الکتریکی حاصل از امواج آب در نانوفیلم‌های اکسید روی آلاییده، با ولتاژ حاصل از امواج آب در گرافن تک‌لایه قابل مقایسه است. انتظار می‌رود مواد نیم‌رسانای متعدد دیگری نیز واجد شرایط اثر هیدروولتاییک باشند.

 

تولید الکتریسیته از اثرات غیرهیدروولتاییکی
به کمک اثر هیدروولتایک می‌توان تقریبا تمام اشکال انرژی آب را استخراج کرد، اما چندین روش دیگر نیز قابل استفاده هستند. اولین اثر، انرژی گرادیان شوری است. این نوع انرژی، شکل اولیه «انرژی آبی» است که در اختلاف شوری بین آب دریا و آب رودخانه در دسترس است. توان از طریق اختلاف فشار اسمزی بین آب شیرین و شور تولید می‌شود و در نهایت می‌تواند به عنوان انرژی تبخیری تعریف شود که آب شیرین را از نمک جدا می‌کند. روش‌های مرتبط شامل اسمز با غشا‌های نیمه‌تراوا، انتشار نانوسیالی با غشاهای انتخابی یونی و خازن‌های دو لایه الکتریکی است.

دومین روش استخراج انرژی آب با استفاده از اثر الکتریکی همراه با القای الکترواستاتیکی است. در این روش برای ایجاد بار بر روی سطوح آب و مواد، و سپس القای بارهای مخالف بر روی دو الکترودی که بین آن‌ها ولتاژ برقرار می‌کند، به مواد دی الکتریک نیاز است. بنابراین، بر خلاف اثر هیدروولتاییک، ولتاژ از موادی که در تماس مستقیم با آب هستند ایجاد نمی‌شود. به همین ترتیب، می‌توان از طریق مدولاسیون مکانیکی قطرات آب که بین دو صفحه رسانای موازی محدود شده‌اند، که به صورت نامتقارن با آب در تماس هستند، ولتاژ ایجاد کرد.

در نهایت، بومان و همکارانش یک روش الکتروشیمیایی برای استخراج انرژی امواج با استفاده از رشته‌های نانولوله‌های کربنی تابیده شده که در الکترولیت آبی قرار گرفته‌اند، ارائه کردند. در این روش، هنگامی که رشته‌های نانولوله‌های کربنی تابیده شده مرتب به‌وسیله‌ی امواج آب کشیده و باز می‌شوند، مناطق متغیری برای واکنش‌های الکتروشیمیایی تولید می‌کنند. در این فرآیند، بر خلاف مواد کربنی در پتانسیل امواج، ولتاژ الکتریکی بین یک الکترود کار متصل به رشته و یک الکترود مرجع که درون الکترولیت قرار دارد (شکل 4، پیوست III) ، تشکیل می‌شود. با استفاده از این دستگاه درون اقیانوس، می‌توان ولتاژی در حدود ده‌ها میلی‌ولت به دست آورد و میانگین توان الکتریکی برای موج‌هایی با فرکانس بین ۰.۹ تا ۱.۲ هرتز، به 1.66 وات بر کیلوگرم می‌رسد. در این فرآیند، امواج آب فقط به عنوان یک نیروی خارجی برای کشیدن رشته نانولوله‌های کربنی استفاده می‌شود. با توسعه فنآوری الکتروشیمیایی مشابه می‌توان، انرژی‌های حرارتی کم (دماهای کمتر از 130 درجه سانتی‌گراد) را استخراج کرد.

 

کاربرد‌ها و چشم‌اندازها
با توجه به توان خروجی کم و بازدهی ضعیف تبدیل انرژی، قابلیت انتقال ولتاژ در این پدیده‌های هیدرولتاییک و در نتیجه کاربردهای عملی آن‌ها محدود است. توان خروجی یک دستگاه واحد بین ۸-۱۰ تا ۳-۱۰ وات، با چگالی توان ۳-۱۰ تا 10 وات بر مترمربع است که هنوز نمی‌تواند با سایر روش‌های استحصال انرژی (مانند یک توربین آب مدرن که می‌تواند توان خروجی 700 مگاوات را با بازدهی انرژی بیش از 90 درصد تولید کند) رقابت کند. با این حال، توان الکتریکی حاصل از اثر هیدروولتاییک برای توسعه دستگاه‌های خودتوان و برای به کار انداختن وسایل کم‌مصرف کافی است.

پتانسیل کشش در گرافن، می‌تواند قطرات آب یا جریان گاز مرطوب بر روی سطح آن را نشان دهد (شکل 5- الف، بالا) و پتانسیل جریان به‌وسیله‌ی یک ترانزیستور گرافن اندازه‌گیری می‌شود تا جریان جرم و غلظت یونی را بررسی کند (شکل 5- الف، پایین چپ). اخیرا در آزمایشی یک مانیتور تنفس که از فیبرهای اکسیدگرافن ساخته شده، با تغییر رطوبت فعال می‌شود (شکل ۵- الف، پایین راست). از سوی دیگر، الکتریسیته ناشی از تبخیر از دستگاه‌های چندگانه متصل به صورت سری می‌تواند توان مورد نیاز برای نمایشگرهای ترانزیستوری لایه‌نازک و ترسیب الکتریکی الگوهای نقره را فراهم کند (شکل 5-ب، بالا) ، در حالی که الکتریسیته ناشی از رطوبت - در فیلم‌های اکسید گرافن می‌تواند یک دیود نوری را روشن کند (شکل ۵-ب، پایین). دستگاه‌های هیبرید با ترکیب نانومواد کربن با دیگر ساختارهای تبدیل انرژی، مانند سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ (شکل ۵-ب، پایین راست) ، سلول‌های خورشیدی سیلیکونی و میکروآسیاب‌های آبی، امکان ساخت تأمین‌کننده انرژی برای تمام آب و هواها را فراهم می‌کند. با الهام از انرژی امواج، خو و همکارانش، موفق به تولید الکتریسیته از جریان خون در یک فیبر پلیمر/ نانولوله‌های کربنی محدود در یک لوله شدند، که می‌تواند یک راهکار برای تأمین توان مورد نیاز نانودستگاه‌های فیزیولوژیک باشد. به طور گسترده‌تر، استخراج انرژی تبخیری، توسعه سیستم‌های خودتوان در جزایر دور را ممکن می‌سازد (شکل ۵-ج) ، که در آن برق ناشی از تبخیر می‌تواند نه تنها برای روشن شدن چراغ‌های دریایی، بلکه برای افزایش تبخیر در تصفیه آب دریا مورد استفاده قرارگیرد. تبخیر می‌تواند در داخل خانه‌ها نیز برای تهویه مطبوع انجام شود (شکل ۵-ج).

فراتر از این کاربرد‌های هیجان‌انگیز، توانایی مواد نانوساختار کربنی برای استحصال انرژی از جریان هوا، جریان آب، امواج، قطرات باران و تبخیر، پتانسیل‌های استحصال انرژی از چرخه آب طبیعی را به ما نشان می‌دهد. چندین فرآیند کلیدی امیدوارکننده در چرخه‌ای که در روی زمین اتفاق می‌افتد وجود دارد که عبارتند از تبخیر، وزش، چگالش، بارش و رواناب، که در شکل 4 نشان داده شده‌اند. ابتدا با نصب آرایه‌های صفحات کربن سیاه می‌توان انرژی تبخیر در نزدیکی سطح آب را استخراج کرد. بخار آب که از داخل صفحه نفوذ کرده می‌تواند برای ایجاد یک گرادیان رطوبت کنترل شود، و با استفاده از یک لایه از مواد واکنش‌دهنده به آب، مانند اکسید گرافن به انرژی الکتریکی تبدیل شود (شکل 4، پیوست I). پس از آن، گرافن یا نانولوله‌های کربنی می‌توانند انرژی حاصل از وزش را استخراج کنند. در حالی که بخار آب چگالیده شده و تبدیل به بارش می‌شود، انرژی قطره باران می‌تواند به‌وسیله‌ی صفحه‌های گرافن به انرژی الکتریکی تبدیل شود. در نتیجه آب باران در سرتاسر زمین حرکت می‌کند و جریان آب را در امتداد رودخانه شکل می‌دهد، که می‌تواند پتانسیل جریان را در نانوکانال‌های مویینی گرافیتی ایجاد کند. جریان‌های آب در نهایت در اقیانوس به یکدیگر می‌پیوندند و امواج را تشکیل می‌دهند، و می‌توان پتانسیل امواج را از طریق صفحات گرافنی که بر روی سطوح اشیای شناور قرار می‌گیرند، استخراج کرد.

در این چشم‌انداز، الکتریسیته ناشی از تبخیر، به سه دلیل، نسبت به دیگر روش‌های تولید برق از آب برتری دارد. اولا تبخیر آب در همه جا و در هر زمان، بدون توجه به شرایط آب و هوایی و محیط زیست رخ می‌دهد. ثانیاً، انرژی حرارتی محیط اطراف را، بدون هیچ‌گونه ورودی کار مکانیکی، به انرژی الکتریکی مفید تبدیل می‌کند، . ثالثاً، به محیط زیست آسیب نمی‌رساند، زیرا عوارض جانبی آن (به عنوان مثال، کاهش دمای محیط، فرآیند چرخه آب) حتی مزیت به حساب می‌ایند. بنابراین، الکتریسیته ناشی از تبخیر ممکن است پتانسیل بیشتری نسبت به فتوولتاییک داشته باشد. علاوه‌بر این، چندین آزمایش اخیرا نشان داده‌اند که تبخیر را می‌توان، با سینرژی بین جذب انرژی خورشیدی به کمک پلاسمون، و انتشار سریع آب به کمک مویینگی، افزایش داد. به عبارت دیگر، به کمک طراحی، می‌توان شار انرژی از محیط اطراف به بخار آب را به سطح بالاتری نسبت به آن‌چه پیش‌بینی شده، رساند. به واسطه این پیشرفت‌های جدید، انرژی تبخیر را می‌توان به عنوان یک انرژی تجدیدپذیر جدید به حساب آورد، حتی اگر مطالعات برای استخراج آن به تازگی آغاز شده باشد.

اما اجرای فناوری مرتبط در مقیاس وسیع، چالش‌های متعددی را به وجود می‌آورد. اول، تعامل کربن- آب ذاتا ضعیف است. همان‌طور که به‌وسیله‌ی روش‌های اولیه محاسبه شده است، هر مولکول یا یون متحرک تنها می‌تواند چند حامل بار را در نانومواد کربنی حرکت دهد. اگرچه عامل‌دار کردن نانومواد باعث افزایش تعامل کربن- آب می‌شود، اما هدایت الکتریکی را کاهش داده و بنابراین انتقال حامل‌های بار آزاد را مختل می‌کند. دوم، تعامل کربن- آب، بر خلاف سایر فرآیند‌های تبدیل انرژی که در مواد بالک اتفاق می‌افتد، به سطح لایه‌های اتمی محدود می‌شود. مواد از جنس کربن متخلخل می‌توانند به میزان قابل توجهی سطح تعامل در واحد حجم را افزایش دهند، اما معمولا آن‌ها دارای امپدانس داخلی بالایی برای محدود کردن انتقال الکتریکی هستند. سوم، اتصالات موازی یا سری دستگاه‌های متعدد برای افزایش توان خروجی آسان است. اگرچه با افزایش تعداد دستگاه‌ها، توان میانگین ​​هر دستگاه، به دلیل اتصالات بین دستگاه‌ها و تشکیل یک حلقه جریان درونی، کاهش می‌یابد. حل این مسئله مستلزم یکپارچگی بیشتر مواد کربنی، اتصالات بهبود یافته بین دستگاه‌ها و چینش بهینه دستگاه‌هاست.

تجزیه و تحلیل‌های فوق نشان می‌دهد که در یک ماده هیدروولتاییک خوب باید میان برخی عوامل تعادل برقرار باشد. این عوامل عبارتند از: تعامل قوی آب-کربن، محدوده تعامل بزرگ و هدایت الکتریکی کافی. دستیابی به این تعادل مستلزم دانستن مکانیزم‌های بسیار پیچیده تعامل اتمی بین مایع و نانوساختارهاست. اطلاعات بیشتری در مورد پویایی آب و یون‌های درون مایع و حامل بار در مواد، جذب/ دفع آب یا یون‌های روی مواد، اتصال پویا بین یون‌ها یا آب و الکترون‌ها در فصل مشترک و نقش زیرلایه‌ها، مورد نیاز است. نظریه‌های پیشرفته محاسباتی و روش‌هایی که محاسبات سیستم‌های جامد-آب در مقیاس بزرگ و در سطح مکانیکی کوانتومی، برای دستیابی به درک بیشتر از این مسائل بسیار مهم هستند. علاوه‌بر این، ابزارهای آزمایشی برای مشخصه‌یابی دقیق فصل مشترک آب- جامد، همچنان نیاز به توسعه دارند. تصاویر تهیه شده از این فصل مشترک‌ها، به‌وسیله‌ی میکروسکوپ‌های وضوح بالای عادی هم کیفیت قابل قبولی ندارند. در عوض، قرارگیری نسبتا منظم آب و یون‌ها در فصل مشترک در مقایسه با آب بالک، امکان مشخصه‌یابی با روش‌های نوری، مانند اسپکتروسکوپی ارتعاشی مجموع فرکانس با حساسیت فاز را فراهم می‌کند.

 

نتیجه‌گیری
بررسی ما از تولید برق در مواد نانوساختار کربنی در تعامل با آب، توان بالقوه استخراج انرژی از آب با استفاده از فناوری نانو را نشان داده است. پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای در تأثیر جدید عبور الکتریسیته از نانومواد به وسیله اتصال مستقیم با آب دیده شده است، که به عنوان اثر هیدروولتاییک نامیده می‌شود، و به کمک آن توانایی استحصال انرژی از جریان آب، امواج، قطرات باران، تبخیر و رطوبت وجود دارد. این اثر به واسطه تواناییش برای تبدیل انرژی حرارتی محیط اطراف به توان الکتریکی، از طریق تبخیر آب در هر مکانی، نسبت به سایر روش‌ها برجسته شده است. از آن‌جایی که تبخیر بدون وقفه و در هر شرایطی در دسترس است، اگر توان الکتریکی حاصل از اثر هیدروولتاییک تا سطح قابل استفاده روزانه افزایش یابد اثر هیدروولتاییک در مقایسه با سایر پدیده‌های تبدیل انرژی، منحصربه‌فرد خواهد بود. با این حال، واقعیت این است که مقیاس قدرت تعامل بین آب و نانومواد در محدوده الکترون‌ولت قرار دارد و تعامل به سطوح لایه‌های تک‌اتمی محدود می‌شود. پیش‌بینی می‌شود مطالعات آینده در زمینه توسعه نظریه‌های فراتر از مدل دو‌لایه الکتریکی برای توصیف تعامل آب-جامد و کشف راه‌هایی برای افزایش تعامل آب-مواد، حداکثر کردن منطقه تعامل در واحد حجم بدون قربانی کردن هدایت الکتریکی و ترکیب آن با سایر اثرات تبدیل انرژی به صورت هماهنگ، باشد.

به طور کلی، در مقایسه با توسعه انرژی برق‌ابی صنعتی که یک قرن قدمت دارد، رشد سریع ولتاژ هیدروولتاییک از محدود میلی‌ولت به ولت در طول تنها چند سال، بسیار نویدبخش است. ما انتظار داریم این جنبش با همکاری مداوم نظریه‌پردازان و آزمایش‌کنندگان ادامه یابد. علاوه‌بر این، ما معتقدیم که چنین همکاری، پدیده نوظهور هیدروولتاییک را به یک فناوری صنعتی پایدار و برجسته تبدیل خواهد کرد.

 

منبع:

Zhuhua Zhang et al., Emerging hydrovoltaic technology, Nature nanotechnology, Vol 13, December 2018, 1109-119.