Наноканали от графенов оксид помагат за генерирането на електричество чрез вода

by

Генерирането на електричество от естествена вода, протичаща през инженерни наноканали, е ефективен начин за посрещане на бързо нарастващите нужди от възобновяема енергия. За съжаление, включването на наноканали и многовариантните ограничения върху производството на електроенергия все още са основни пречки за широкомащабни индустриални приложения.

Стади: Прехвърляне на водно базирано генериране на електричество с подобрено обучение в силно ориентирани наноканали от графенов оксид. Кредит на изображението: Angel Soler Gollonet / Shutterstock.com

Скорошно проучване, публикувано в сп Nature Communications Той се занимава с този проблем чрез изграждане на силно съвместими наноканали от графенов оксид за устойчиво производство на енергия, използвайки процес на леене чрез замразяване. Този нов дизайн насърчава спонтанната адсорбция и насоченото отклоняване на водата в наноканалите за генериране на чисто електричество.

2D-WEG, базиран на агрегирана GO рамка с масивни интегрирани 2D канали, може да генерира голяма електрическа енергия чрез спонтанен поток от вътрешна вода. b За решаване на проблема за оптимизиране на многопараметричното свързване на разработения 2D-WEG е внедрена TL рамка за постигане на точно прогнозиране и подобряване на производителността на генериране, като се използват ограничени експериментални данни и достатъчно данни за потока с подобен фон. c В крайна сметка оптимизираните за TL 2D-WEG се произвеждат с механична гъвкавост и подобрена производителност при генериране на енергия за захранване на различни търговски устройства.

Фигура 1. a 2D-WEG, базиран на агрегирана GO рамка с масивни интегрирани 2D канали, може да генерира голяма електрическа енергия чрез спонтанен поток от вътрешна вода. б За да се реши проблемът с оптимизирането на многопараметричното свързване на разработения 2D-WEG, е внедрена TL рамка за постигане на точно прогнозиране и подобряване на производителността на генериране, като се използват ограничени експериментални данни и достатъчно данни за потока с подобен фон. ° С В крайна сметка оптимизираните за TL 2D-WEG се произвеждат с механична гъвкавост и подобрена производителност при генериране на енергия за захранване на различни търговски устройства.

Производство на електроенергия от воден поток (WEG): Защо е важно?

Генерирането на възобновяема енергия от естествени процеси, включително дисперсия на влага, топлообмен, воден поток и изпарение, привлече много внимание през последните години. Чистата енергия, произведена от тези технологии, може да осигури електричество в дългосрочен план за бързо разрастващата се човешка цивилизация в света.

Някои съединения, като молибденов дисулфид и MOFs със синтетични наноканали, наскоро показаха обещаващи способности за производство на електричество, когато водата преминава през тях поради техните специфични биосъвместими свойства и свойства за транспортиране на йони.

Тези електромагнити с активиран воден поток (WEGs) използват двоен слой от електролити на повърхността твърдо-течно вещество и изолацията на междинния заряд, създадена от водния поток. Освен това, способността за преобразуване на енергия може също да бъде увеличена чрез модифициране на присъщите или структурни свойства като плътността на повърхностния заряд и размера на наноканалите.

Предизвикателства, свързани с производството на електричество с помощта на вода

Няколко значителни бариери остават при разработването на високоефективни електрически генератори на воден поток (WEGs), ограничавайки тяхната широка приложимост.

Въпреки че микроскопичните WEG имат висока енергийна плътност, способността за генериране на енергия след включване на наноканали в по-големи сглобки е проблематична поради хаотичните структури и загубата на координация между изолираните наноканали.

В комбинация с широкомащабното и хомогенно включване на наноканали, ефективността на WEG зависи до голяма степен от управлението на плътността на заряда на наноканала, отношенията вода-материал и присъщата мобилност на водата. За съжаление, многото компоненти са тясно свързани и всяка модификация на един от тях силно засяга съответната конфигурация и общия капацитет за генериране на електроенергия.

Схематична илюстрация на TL рамката. Моделът на източника беше обучен от първата архитектура на декодера, използвайки потенциални потоци от данни. След това енкодерът се прехвърля към опционалния модел за инициализиране на параметрите и експерименталните данни се използват за обучение на предсказания на декодера от латентното пространство за извършване на 2D-WEG. b Схематична илюстрация на итеративния процес на оптимизация. Първоначално данните за производителността на генериране на 2D-WEG с различни структурни параметри се събират експериментално. Новосъбраните данни и предишните данни след това се използват за прецизиране на моделите за подбор. След това се използва алгоритъм за диференциална еволюция за получаване на няколко нови набора от структурни параметри въз основа на прогнозите на опционалните модели, реконструиране на 2D-WEGs и съответно събиране на експерименталните данни.

Фигура 2. a Схематична илюстрация на TL рамката. Моделът на източника беше обучен от първата архитектура на декодера, използвайки потенциални потоци от данни. След това енкодерът се прехвърля към опционалния модел за инициализиране на параметрите и експерименталните данни се използват за обучение на предсказания на декодера от латентното пространство за извършване на 2D-WEG. б Схематична илюстрация на итеративния процес на оптимизация. Първоначално данните за производителността на генериране на 2D-WEG с различни структурни параметри се събират експериментално. Новосъбраните данни и предишните данни след това се използват за прецизиране на моделите за подбор. След това се използва алгоритъм за диференциална еволюция за получаване на няколко нови набора от структурни параметри въз основа на прогнозите на опционалните модели, реконструиране на 2D-WEGs и съответно събиране на експерименталните данни.

Взаимодействието на обемисти наноканали води до многоцелеви компромиси, многопараметрични връзки и широкомащабно изследване на променливи, което прави разследванията трудни, скъпи и отнемащи време.

Необходима е голяма разлика във водното налягане от противоположните страни на наноканалите, за да се подобри водният поток през наноканалите на WEG клъстерите, което прави системата за преобразуване на енергия сложна и далеч от очаквания механизъм за пренос на чиста енергия.

Наноканали от графенов оксид за WEG приложения

Сглобяването слой по слой на двумерни слоеве от графенов оксид (GO), богати на кислородни функционални групи, води до желаните, ориентирани структури. Междувременно, при взаимодействие с вода, променливата промяна на функционалните групи върху GO листове може да повлияе на плътността на повърхностния заряд.

В резултат на това много адаптивни 2D наноканали между слоевете от графенов оксид могат непрекъснато да бъдат включени в макроскопични структури, което ги прави подходящи платформи за създаване на високопроизводителни WEG сглобки.

В това проучване изследователите създадоха поддържащ водния поток електроден генератор с двуизмерни наноканали от графенов оксид (2D-WEG), използвайки ротационен процес на леене чрез замразяване. 2D-WEG с адаптивни вътрешни структурни и химични свойства може естествено да улавя вода и да предизвиква воден поток в рамките на наноканалите, за да генерира значителна електрическа енергия.

Освен това, поради недостига на експериментални данни, изследователите са използвали техниката на трансферно обучение (TL), за да се справят с предизвикателната многофакторна модификация на свързване на 2D-WEG.

Диаграма на екран с воден пейзаж, който генерира електричество чрез автоматично прехвърляне на вода. b Визуално изображение на деветнадесет електрически крушки, поддържани от дисплей с воден знак с 10 вградени 2D модула, показващи интериора с 19 осветени светлини. c Voc и Isc се генерират от водния дисплей с 10 2D клъстера, интегрирани, когато дъното е в контакт с водата. d Схематична илюстрация на електрически изход, генериран от поливане на изглед на микроархитектура, проектиран от 2D-WEG. e Бизнес калкулаторът се задвижва от малка архитектурна сцена, направена от един 2D WEG. и Voc и Isc, генерирани от поливане на архитектурен ландшафт. g Криви напрежение-време на търговски кондензатори с променлив капацитет, заредени чрез раздухване на намотка от десет 2D-WEG. Вложката g е оптично изображение на механичното устройство, което автоматично управлява витлото, използвайки интегрираните 2D-WEG за събиране на електрическа енергия. Електрическата енергия, съхранявана в кондензатора, захранва екрана с електронно мастило за възпроизвеждане на различни анимации. Изходните данни се предоставят като файл с изходни данни.

Фигура 3. a Диаграма на екран с воден пейзаж, който генерира електричество чрез автоматично прехвърляне на вода. б Визуално изображение на деветнадесет LED светлини, поддържани от дисплей с водна капка с 10 вградени 2D модула и интериор б Показва светещи 19 светодиода. ° С Петодобре И азsc Генерира се от екрана за изглед на водата с 10 интегрирани 2D блока, когато долната част е в контакт с водата. д-р Схематична илюстрация на електрическото производство, генерирано от поливане на малък архитектурен изглед, проектиран от 2D-WEG. д Бизнес калкулаторът се захранва от малък архитектурен изглед, направен от един 2D WEG. Е Петодобре И азsc Генерирани от архитектурен пейзаж поливане. ж Криви напрежение-време на търговски кондензатори с различен капацитет, заредени чрез избърсване с вентилатор на десет 2D-WEG. вмъкване ж Това е оптично изображение на механичното устройство, което автоматично управлява витлото, използвайки интегрираните 2D-WEG за събиране на електрическа енергия. ч Електрическата енергия, съхранявана в кондензатора, захранва екрана с електронно мастило да възпроизвежда различни анимации. Изходните данни се предоставят като файл с изходни данни.

важни резултати от търсенето

За разлика от публикуваните по-рано еднопараметрични проучвания, техниката TL, използвана в тази работа, може да даде хомогенни многофакторни симулации и много точно предсказване на уменията дори с ограничен набор от експериментални данни.

Така подготвеният 2D-WEG има забележителна механична способност и може да генерира високо напрежение от 2,9 V или ток от 16,8 A, както и контролирано да променя изходната ефективност, за да отговори на практическите нужди. Простото паралелно или последователно свързване на 2D-WEGs може да увеличи изходната мощност съответно до 11,9 V и 82,7 A.

В допълнение, изследователите създадоха различни устройства за генериране на електричество, захранвани с вода, като екран за водна проекция, архитектурна панорама и 2D-WEG вентилатор. Тези системи WEG могат да захранват научни калкулатори, LED панели и компютъризирани дисплеи с мастило, подчертавайки потенциала на материалите за бъдещо развитие на чиста енергия.

Въз основа на тези резултати е разумно да се заключи, че синтезираните 2D-WEG и TL техники за оптимизация имат голямо обещание за изграждане на жизнеспособна водна енергийна система.

справка

Янг, С. et al. (2022). Прехвърлете генериране на електроенергия на водна основа, подобрено чрез обучение, в силно ориентирани наноканали от графенов оксид. Nature Communications. Наличен в: https://doi.org/10.1038/s41467-022-34496-y

Отказ от отговорност: Мненията, изразени тук, са тези на автора, изразени в негово лично качество и не представляват непременно мненията на AZoM.com Limited T/A AZoNetwork е собственик и оператор на този уебсайт. Този отказ от отговорност представлява част от правилата и условията за използване на този уебсайт.