Жидкая мембрана для выработки электроэнергии от капли

Когда капли воды проходят через предварительно заряженную жидкую мембрану, они уносят заряды с мембраны и перераспределение заряда, вызванное на жидкой мембране, генерирует выходной электрический ток

Трибоэлектрические наногенераторы - это технология сбора энергии, основанная на эффектах связи контактной электрификации и электростатической индукции между двумя твердыми телами или жидкостью и твердым телом.

К одному из видов трибоэлектрического наногенератора относится схема, которая может работать на основе взаимодействия между двумя чистыми жидкостями. Жидкостно-жидкостный трибоэлектрический наногенератор получается путем пропускания капли жидкости через свободно подвешенную жидкую мембрану.

Существует заземленная мембрана и предварительно заряженная мембрана. Падение капли (около 40 мкл) может генерировать пиковую мощность 137,4 нВт при прохождении через предварительно заряженную мембрану.

Трибоэлектрический наногенератор (ТЭНГ), который использует сочетание контактной электрификации и электростатической индукции для выработки электрической энергии, постепенно развивается с 2012, как основная технология в области сбора энергии. Работа ТЭНГ преимущественно основана на межфазном электростатическом поле, которое выдает мощность за счет внутреннего тока смещения Максвелла, вызванного механическим движением.

До настоящего времени сбор энергии от трибо-контактов происходило на границах раздела различных веществ, включая границу раздела «твердое тело-твердое тело», «твердое тело-жидкость» и даже «твердое тело-жидкость-воздух». Предназначенные для различных источников механической энергии, ТЭНГ были успешно применены в четырех основных областях: микро/нано источники питания, датчики с автономным питанием, синий генератор энергии и источники высокого напряжения.

Среди этих областей ТЭНГ, используемый на границе раздела «твердое тело-твердое тело», может помочь в достижении тактильного восприятия и обнаружения движения, а ТЭНГ, применяемый на границе раздела «твердое тело-жидкость», может генерировать энергию от водяных волн, движения капель и так далее.

Несмотря на то, что было проведено большое количество исследований и осуществлено применений на основе ТЭНГ и связанных с ними систем в области генерации энергии, на границе раздела «жидкость-жидкость» отмечен лишь незначительный прогресс. Во время контактного движения между двумя жидкостями (каплями или потоками) жидкие объекты легко сливаются друг с другом и их разделение трудно осуществить обычными прикладными методами.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, для достижения плавного потока с разделением жидких объектов, применена очень прочная и проводящая жидкая мембрана. Проницаемость жидкой мембраны, адаптивность ее формы и способность к самовосстановлению смогли обеспечить эффективное разделение двух жидкостей.

В последние годы такие мембраны широко используются в биохимии и медицине, добыче ископаемого топлива, косметологии и других отраслях. Тем не менее, жидкая мембрана никогда не использовалась в качестве активного компонента для сбора энергии. Разнообразить свойства жидкой мембраны можно добавлением различных химических компонентов в раствор.

Введение макромолекул в раствор может снизить скорость испарения жидкой мембраны. Кроме того, вводимые загустители могут увеличить поверхностную вязкость раствора и улучшить эластичность жидкой мембраны в определенном диапазоне, регулируя поверхностное натяжение, поверхностную вязкость, скорость испарения раствора и структуру жидкой мембраны.

ТЭНГ с границей раздела «жидкость-жидкость» может быть достигнут путем введения жидкой мембраны в качестве проницаемого электрода для контакта с каплями жидкости. Для взаимодействия с падающими каплями были разработаны два вида жидких мембран.

Сначала применяется заземленная жидкая мембрана без зарядки для сбора поверхностного заряда падающих капель, которые могут собирать окружающие электростатические заряды для последующей выработки энергии.

Далее, пленка фторированного этиленпропилена с трибо-зарядами помещается рядом с заземленной жидкой мембраной, и за счет электростатической индукции получается предварительно заряженная мембрана. Когда капли воды проходят через эту предварительно заряженную жидкую мембрану, они уносят заряды с мембраны и перераспределение заряда, вызванное на жидкой мембране, генерирует выходной электрический ток.