Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Sinh học nano thuộc Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ tại Lausanne (EPFL) đã phát triển một hệ thống sản xuất điện bằng phương pháp thẩm thấu có công suất cao chưa từng thấy. Sự đổi mới sáng tạo của họ nằm ở lớp màng có độ dày ba nguyên tử được sử dụng để phân tách hai loại chất lỏng. 

Công nghệ này khá đơn giản: Một lớp màng bán thấm được sử dụng để ngăn cách hai loại chất lỏng có nồng độ muối khác nhau; các ion muối đi qua lớp màng này cho đến khi nồng độ muối trong cả hai chất lỏng ngang bằng nhau. Đây chính là hiện tượng thẩm thấu.

Nếu hệ thống này được sử dụng với nước biển và nước ngọt, các ion muối trong nước biển được lọc qua lớp màng này và đi vào nước ngọt cho đến khi cả hai chất lỏng có cùng nồng độ muối như nhau. Và do một ion chỉ đơn giản là một nguyên tử có một điện tích, sự chuyển động của các ion muối có thể được khai thác để tạo ra điện năng.

Hệ thống của EPFL gồm hai ngăn chứa đầy chất lỏng được ngăn cách bởi một lớp màng mỏng làm bằng molybdenum disulfide. Lớp màng này có một lỗ thủng cực nhỏ hay còn gọi là nanopore, thông qua đó các ion nước biển di chuyển sang phần nước ngọt cho đến khi nồng độ muối của hai chất lỏng bằng nhau. Khi các ion đi qua nanopore này, các electron của chúng được chuyển đến một điện cực - đó là những gì được sử dụng để tạo ra dòng điện.

Nhờ các tính chất của nó, lớp màng này cho phép các ion tích điện dương đi qua, trong khi đẩy đi hầu hết các ion tích điện âm. Điều này tạo ra điện áp giữa hai chất lỏng do một chất lỏng tạo ra điện tích dương và chất lỏng còn lại tạo ra điện tích âm. Điện áp này là những gì làm cho dòng điện được tạo ra bởi dòng di chuyển của các ion.

“Đầu tiên, chúng tôi phải chế tạo và sau đó nghiên cứu kích thước tối ưu của nanopore. Nếu nó quá lớn, các ion điện tích âm có thể đi qua và điện áp thu được sẽ quá thấp. Nếu nó quá nhỏ, không đủ để các ion có thể đi qua thì dòng điện sẽ quá yếu”, Jiandong Phong, tác giả chính của nghiên cứu cho biết.

Những gì làm cho hệ thống của EPFL riêng biệt là lớp màng mỏng của nó. Trong những loại hệ thống này, dòng điện tăng lên khi lớp màng mỏng hơn. Và màng của EPFL dày chỉ một vài nguyên tử. Lớp màng này được làm bằng molybdenum disulfide, một loại vật liệu rất lý tưởng để tạo ra dòng điện thẩm thấu. “Đây là lần đầu tiên một loại vật liệu hai chiều được sử dụng cho loại ứng dụng này”, Aleksandra Radenovic, trưởng Phòng thí nghiệm Sinh học nano cho biết.

Tiềm năng của hệ thống mới này là rất lớn. Theo tính toán của họ, một màng 1m² với 30% bề mặt của nó chứa các nanopore sẽ có thể sản xuất 1 MW điện - hoặc đủ để cấp điện cho 50.000 bóng đèn tiết kiệm năng lượng tiêu chuẩn. Và do molybdenum disulfide (MoS2) có dồi dào trong tự nhiên hoặc có thể được phát triển bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học, hệ thống này có thể khả thi để mở rộng sản xuất năng lượng ở quy mô lớn. Thách thức lớn trong việc mở rộng quy mô quy trình này là tìm ra cách để làm cho các nanopore tương đối đồng đều.

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu mới thử nghiệm lớp màng có một nanopore duy nhất để hiểu chính xác những gì đang xảy ra. “Từ quan điểm kỹ thuật, hệ thống một nanopore duy nhất là lý tưởng để tăng sự hiểu biết cơ bản của chúng ta về các quá trình dựa vào màng và cung cấp thông tin hữu ích để thương mại hóa ở quy mô công nghiệp'', Jiandong Feng nói.

Các nhà nghiên cứu đã có thể chạy một transistor nano bằng dòng điện được sản xuất bởi một nanopore duy nhất và chứng minh một hệ thống nano tự cấpđiện. Transistor MoS2 đơn lớp có điện năng thấp được chế tạo với sự hợp tác với nhóm nghiên cứu của Andreas Kis tại EPFL, trong khi các mô phỏng động học phân tử được thực hiện với sự hợp tác với Đại học Illinois tại Urbana-Champaign.

Nghiên cứu EPFL là một phần của một xu hướng đang ngày càng phát triển. Trong nhiều năm qua, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang phát triển các hệ thống có tác dụng thúc đẩy sản xuất năng lượng thẩm thấu. Các dự án thí điểm đã được tiến hành ở Na Uy, Hà Lan, Nhật Bản và Hoa Kỳ để tạo ra năng lượng tại các cửa sông, nơi các dòng sông đổ ra biển. Cho đến nay, các màng này đã được sử dụng trong hầu hết các hệ thống hữu cơ và có công suất thấp. Một số hệ thống sử dụng chuyển động của nước, chứ không phải là ion, cho các tuabin điện để tạo ra điện năng.

Một khi hệ thống này có công suất mạnh hơn, điện thẩm thấu có thể đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất năng lượng tái tạo. Trong khi tấm pin mặt trời cần đủ ánh sáng và tuabin gió cần đủ gió, năng lượng thẩm thấu có thể được sản xuất bất kỳ khi nào, ngày hay đêm - chỉ cần có một cửa sông gần đó.