Инновационный первый в своем роде наногенератор создает электричество от снегопада

Ученые и коллеги из Калифорнийского университета разработали новое устройство, которое производит электричество от падающего снега. Это первое в своем роде устройство, оно экономичное, тонкое, маленькое и гибкое, напоминающее лист пластика.

Махер Эль-Кади и Ричард Канер (Изображение предоставлено: Stuart Wolpert / UCLA)

«Устройство может работать в отдаленных районах, потому что оно обеспечивает свою собственную энергию и не нуждается в батареях», сказал старший автор Ричард Канер, который возглавляет кафедру инноваций в области материаловедения доктора Мён Ки Хонг из UCLA. «Это очень умное устройство – метеостанция, которая может сказать вам, сколько снега падает, направление, в котором падает снег, а также направление и скорость ветра».

Ученые назвали его трибоэлектрическим наногенератором на основе снега (Snow TENG). Трибоэлектрический наногенератор, который производит заряд посредством статического электричества, создает энергию от обмена электронами.

Подробности устройства можно найти в журнале Nano Energy .

«Статическое электричество возникает в результате взаимодействия одного материала, который захватывает электроны, и другого, который отдает электроны», сказал Канер, который также является выдающимся профессором химии и биохимии, а также материаловедения и инженерии и член Калифорнийского института наносистем в Калифорнийском университете. «Вы разделяете заряды и создаете электричество практически из ничего».

Снег заряжен положительно и доставляет электроны. Силикон – синтетический каучукоподобный материал, состоящий из атомов кремния и кислорода, в сочетании с водородом, углеродом и другими элементами – заряжен отрицательно. Когда падающий снег касается поверхности силикона, он генерирует заряд, который захватывает устройство, образуя электричество.

Снег уже заряжен, поэтому мы подумали, почему бы не принести другой материал с противоположным зарядом и не извлечь заряд для создания электричества? В то время как снег любит отдавать электроны, производительность устройства зависит от эффективности другого материала при извлечении этих электронов . После тестирования большого количества материалов, включая алюминиевую фольгу и тефлон, мы обнаружили, что силикон производит больше заряда, чем любой другой материал.

Махер Эль-Кади, соавтор исследования и помощник научного сотрудника по химии и биохимии, UCLA.

Снег покрывает около 30% поверхности Земли каждую зиму, в течение которого солнечные панели часто не работают, отметил Эль-Кади. Накопление снега уменьшает количество солнечного света, который попадает на солнечную батарею, ограничивая выходную мощность панелей и делая их менее эффективными. Он сказал, что новое устройство может быть встроено в солнечные панели, чтобы обеспечить бесперебойное электропитание во время снегопада.

Устройство может использоваться для наблюдения за зимними видами спорта, такими как катание на лыжах, для более точной оценки и повышения производительности спортсмена при ходьбе, беге или прыжках, сказал Канер. У него также есть потенциал для распознавания ключевых моделей движения, применяемых в лыжных гонках, которые невозможно обнаружить с помощью умных часов.

Это могло бы способствовать созданию нового поколения носимых устройств с автономным питанием для наблюдения за спортсменами и их выступлениями. Он также может передавать сигналы, определяющие, движется ли человек. Он может сказать, когда человек идет, прыгает, бегает или марширует.

Исследовательская группа использовала 3D-печать для разработки устройства, которое имеет слой силикона и электрод для хранения заряда. Команда считает, что устройство может быть создано при низких затратах при условии «простоты изготовления и доступности силикона» сказал Канер. Силикон широко используется в промышленности в таких изделиях, как изоляция электрических проводов, смазочные материалы и биомедицинские имплантаты, и в настоящее время он обладает потенциалом для сбора энергии.

Соавторами являются Абдельсалам Ахмед, который проводил исследование, одновременно заканчивая докторантуру в Университете Торонто; Ислам Хасан и Рави Селваганапати из Канадского университета МакМастер; и Джеймс Руслинг из Университета Коннектикута и его исследовательская группа.

Спонсором исследований Канера выступила Nanotech Energy, компания, отделившаяся от его исследований (Канер является председателем ее научно-консультативного совета, а Эль-Кади – главным технологом); и д-р Канер Мён Ки Хонг наделен кафедрой инноваций в области материалов.

Лаборатория Канера построила несколько устройств, в том числе мембрану, которая изолирует масло от воды и очищает остатки, оставшиеся при нефтяном фракционировании. Фрекинг – это метод добычи газа и нефти из сланцевых пород.

Kaner, El-Kady и коллеги создали в 2017 году устройство, которое может использовать солнечную энергию для экономичного и эффективного производства и хранения энергии, что может быть использовано для питания электронных гаджетов и производства водородного топлива для экологически чистых автомобилей. В этом году были опубликованы результаты их исследований конструкции первого огнестойкого самозатухающего датчика движения и генератора энергии, которые могли быть имплантированы в одежду или обувь пожарных и других лиц, работающих в сложных условиях.

Канер – один из самых выдающихся и цитируемых ученых в мире. Он был выбран в качестве лауреата премии Химического пионера Американского института химиков 2019 года, в которой отмечаются химики и инженеры-химики, внесшие исключительный вклад в развитие химии или значительное влияние на химическую профессию.

Source link