Membrana inspirada en el hueso y el cartílago produce eficientemente electricidad del agua salada

electricidad de agua salada

La energía osmótica representa un enorme recurso para la humanidad

Inspirados por las membranas en los tejidos corporales de los organismos vivos, los científicos han combinado nanofibras de aramida utilizadas en Kevlar con nitruro de boro para construir una membrana para recolectar energía oceánica que es fuerte como el hueso y adecuada para el transporte de iones como el cartílago.

La investigación, publicada el 18 de diciembre en la revista Joule, supera los principales desafíos de diseño de tecnologías que aprovechan la energía osmótica (diferencias de gradiente de presión y salinidad entre el agua dulce y el agua del océano) para generar una forma ecológica y ampliamente disponible de energía renovable.

Los generadores de energía osmótica varían menos de un día a otro que las granjas de energía solar y eólica, lo que los hace más confiables que estos productos básicos de energía verde. Sin embargo, los nanomateriales de arcilla, óxido de grafeno, MXene y disulfuro de molibdeno comúnmente utilizados en las membranas tienden a colapsarse y desintegrarse en el agua.

Si bien las nanohojas hechas de nitruro de boro han demostrado ser prometedoras, permanecen estables a medida que aumentan las temperaturas y no reaccionan fácilmente con otras sustancias, las membranas hechas de nitruro de boro por sí solas tampoco son lo suficientemente resistentes como para resistir el agua durante mucho tiempo, comenzando rápidamente a perder iones a medida que desarrollan grietas microscópicas.

membrana de nitruro aramida-boro"Las nuevas membranas compuestas avanzadas de nitruro de boro con propiedades novedosas y robustas resolverán este problema, que ahora tiene una gran demanda", dice Weiwei Lei, el científico principal de este proyecto en Australia, investigador principal del Instituto de Materiales Fronterizos de la Universidad de Deakin ( IFM).

"La energía osmótica representa un enorme recurso para la humanidad, pero su implementación está severamente limitada por la disponibilidad de membranas selectivas de iones de alto rendimiento", dice Nicholas Kotov, el científico líder en los Estados Unidos, profesor de ingeniería en la Universidad de Michigan.

Lei, Kotov y sus colegas se propusieron resolver este problema recurriendo como modelo a los tejidos de las criaturas vivientes, observando que se necesitan muchas variedades diferentes de membranas selectivas de iones de alto rendimiento para facilitar las reacciones biológicas en sus cuerpos. Señalaron que si bien los tejidos blandos, como el cartílago, las membranas renales y las membranas basales, permiten que los iones pasen con facilidad, son débiles y frágiles. En contraste, los huesos son excepcionalmente fuertes y rígidos, pero sin el beneficio del transporte eficiente de iones.

"Encontramos una manera de 'casar' estos dos tipos de materiales para obtener ambas propiedades al mismo tiempo, utilizando nanofibras de aramida que producen materiales fibrosos flexibles similares al cartílago y al nitruro de boro que produce plaquetas similares al hueso", dice Kotov.

"Nuestras membranas nanocompuestas bioinspiradas tienen ciertas ventajas, como una alta robustez y son más fáciles de fabricar y ofrecen una mayor multifuncionalidad que las membranas hechas de un solo material", dice Lei.

dispositivo con membrana de nitruro aramida-boro

Los investigadores construyeron la membrana híbrida usando el ensamblaje capa por capa, un método para recrear compuestos complejos en capas que funciona especialmente bien para las tecnologías del agua. Aplicaron presión a un depósito de la membrana de nitruro de aramida-boro en solución de cloruro de sodio para observar su corriente y lo compararon con otras membranas de nanomateriales, descubriendo que la estrechez de sus canales le permite atraer cationes de sodio y repeler aniones de cloruro mejor que otros compuestos porosos. Lei, Kotov y sus colegas también enjuagaron repetidamente la membrana en cloruro de sodio durante veinte ciclos para controlar su estabilidad, descubriendo que seguía funcionando de manera óptima después de 200 horas.

"Nuestra nueva membrana compuesta tiene un espesor ajustable y una alta estabilidad a temperaturas que oscilan entre 0 y 95 grados centígrados y un pH de 2.8 a 10.8", dice Lei.

"Los componentes económicos y la longevidad de la membrana hacen que la recolección de energía oceánica sea realista", dice Dan Liu, autor principal del artículo, también en Deakin IFM.

En total, los investigadores concluyeron que la membrana de nitruro de aramida-boro es muy adecuada para resistir una amplia gama de condiciones que esperarían que encontrara al generar energía osmótica. También creen que la tecnología es altamente escalable, especialmente porque sus dos componentes son económicos. Las nanofibras de aramida incluso se pueden recoger de la tela de Kevlar desechada.

"Estas son las membranas de mejor rendimiento conocidas hasta ahora", dice Kotov. "Sin embargo, aún no están completamente optimizadas. Incluso se puede obtener un mejor rendimiento".

Artículo científico: Bio-inspired Nanocomposite Membranes for Osmotic Energy Harvesting

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