이차원 물질 기반 나노채널의 설계를 통한 블루 에너지 하베스팅

Abstract

지구 표면의 70%를 차지하고 있는 물을 전기에너지로 변환하는 기술을 나타내는 블루 에너지는 그 막대한 양만으로도 엄청난 잠재력을 갖고 있다. 강과 바다가 만나는 하구에서의 혼합 깁스 자유에너지부터 물의 이동에서 유발되는 운동에너지까지 이를 전기로 바꾸는 수력발전 기술의 종류는 다양하다. 따라서 에너지 하베스팅 방법은 특정 목적에 맞게 선택적으로 이온이나 물을 수송할 수 있는 적절한 멤브레인의 사용이 필수적이다. 최근, 저차원 물질은 높은 이온 전도도와 선택도로 인해 많은 관심을 받으며 연구되고 있다. 특히, 구조적 재구성을 통해 무수히 많은 나노크기의 채널 형성이 가능한 2차원 물질은 간단한 제작 방법, 스케일업 과정, 개질의 용이함 등 많은 특징과 장점을 갖고 있다. 그러나 주름, 공극, 접힘과 같은 구조적 결함이나 본질적인 전하 밀도 결함으로 인해 이온 선택도와 전도도가 감소될 수밖에 없는 한계 또한 가지고 있다. 본 학위논문에서는 2차원 재료인 산화 그래핀 (GO)을 나노채널의 모델 시스템으로 그리고 그래핀 양자점 (GQD) 및 폴리(벤지딘-2,2'-디설폰산 테레프탈아미드) (PBDT)를 GO의 전하 밀도를 높이기 위한 나노필러로 선택하였으며 GO-GQD 하이브리드 섬유를 이용한 섬유형 삼투 에너지 하베스터를 제안하였다. 또한, PBDT 나노로드를 GO와 전단유도 블레이드 코팅을 통해 분산 및 배향시켜 하이브리드 필름형 멤브레인을 제작하였다. GO-GQD 섬유와 GO-PBDT필름은 저농도 영역에서 향상된 이온 전도도 거동을 보여주고 높은 삼투압 전력밀도를 보였다. 다음으로, GO 젤 섬유의 기계적 연신 공정과 공극이 형성된 GO (HGO)의 자가 조립으로 2차원 나노채널 구조의 개질을 진행하였다. 섬유의 응고 역학에 대한 기본적인 이해를 바탕으로 GO 젤 섬유의 매크로 구조 조정과 기계적 배향된 GO 섬유의 나노채널 성능을 입증하였다. 또한, 2차원 재료의 간단한 화학적 식각 개질을 통해 나노채널의 조립 구조에 영향을 미치는 기계적 특성, 유변학적 거동 및 수송 속도의 개선을 확인하였다. HGO 필름과 섬유 멤브레인은 또한 GO보다 높은 이온 전도도를 보였고 더 높은 삼투압 전력밀도를 나타냈다. 이 연구에서는 향상된 삼투압 전력 생성 성능을 위해 정렬되고 균일한 구조의 효율적인 조립을 위한 개질 방법에 관해 새로운 접근 방식을 제안하였다. 마지막으로 HGO필름을 사용하여 (1) 나노 기공에서의 높은 증발 속도, (2) 소수성 그래핀 영역 및 카르복실산 작용기에서의 높은 물 수송 속도 및 낮은 에너지 장벽과 같은 특성을 바탕으로 물 증발로 유도된 증기압력차 에너지 하베스터 (WEEH)를 제작했다. WEEH는 물의 증발만으로 연속적이고 자발적인 유동 전위 및 전류를 하베스팅하여 전기로 변환할 수 있다. 이 연구에서는 2차원 물질 기반의 나노채널을 이용한 증발 냉각 및 담수화/추출 기술과 같은 다른 이동현상 응용 분야에서의 전망을 제시하였다. 종합적으로, 본 학위 논문에서 제안된 연구는 이차원 소재 기반 나노 채널의 설계를 통해 더욱 향상된 블루 에너지 하베스팅 성능 및 그 응용에 이용될 수 있을 것으로 기대된다. |Water contains enormous potential energy in various ways but obtaining it in large quantities is difficult. For solving global issues of high demand of energy, blue energy harvesting has been intensively researched as a potential alternative solution. Blue energy includes salinity-gradient energy converted from Gibb’s free energy of mixing by conversion of seawater and river water into electricity, and pressure-gradient energy converted from water flows, waves, natural evaporation, and moisture. Firstly, salinity gradient energy is a promising source of renewable energy in the future. When applied to all river mouths, literature estimates predict coverage of over 80% of the current global electricity demand. It can be calculated from thermodynamic calculations that 1.4 MJ can be generated from each m3 of seawater when mixed with river water. Additionally, pressure-gradient energy harvesting is capable of generating electricity through continuous flow of water by the electronic coupling of their atoms on their surfaces. There is no need for an artificial pressure gradient when potential energy can be harvested by water flows, waves, evaporation, and rains. Thus, we suggest two techniques to convert blue energy into electricity: reverse electrodialysis (RED) and water evaporation-induced energy harvesting (WEEH). Inspired by the biological ion channels, artificial nanopores and nanochannels are used for osmotic energy conversion owing to the exceptional ion transport properties on the nanoscale. Because the confined spacing in nanosize is close to Debye screening length, surface charge boosts the charge-selective osmotic current. Despite their superior electricity generation performances to conventional RED systems, the fabrication of these nanostructures is poorly scalable. Lamellar nanostructures, which can be easily manufactured by stacking two-dimensional (2D) nanosheets, may offer a promising and scalable alternative for harvesting blue energy. In lamellar membranes, interlayer nanochannels are densely interconnected and provide precise subnanometer fluidic channels that enable ultrafast ion transport. Lamellar membranes exhibit ion transport behaviors that are governed by the surface charges within the individual 2D nanosheet building blocks. This makes lamellar membranes even more attractive to practical osmotic power generation applications due to their simplicity and scalability. The evaporation of water molecules is a significant energy resource. A total power of approximately 325 GW could be generated from water evaporation from the lakes and reservoirs of the contiguous United States of America. On the evaporation of water molecules from the liquid–vapor interface, water transport occurs, drawing adjacent water molecules from the bulk to the low-density region at the interface. This spontaneous and continuous water-transport process is a natural source of energy that has been exploited in several applications including steam generation , desalination , evaporative cooling and energy harvesting. However, ionic conductance and water transport of them is hindered by intrinsic and structural defects for practical applications. Thus, a breakthrough can be achieved by designing a new class of membranes with low ion transport resistance, high ion selectivity, and high power density to overcome the atomic and structural limitations. Herein, graphene oxide (GO) is selected as a model system for reconstructing 2D material nanochannels: graphene quantum dots and PBDT nanorods are selected as nano-chargers to supplement the charge density of GO nanochannel. Further, the mechanical drawing process and the introduction of a nanosized hole on the GO basal plane, which results in a flexible and compact nanochannel structure, can improve ion selectivity and ionic conductance on osmotic power generation. For the pressure-gradient energy harvesting, the anomalous evaporation rate of the nanopore is used for continuous and spontaneous water evaporation for WEEH. By applying these new state-of-the-art technologies, we are extending not only electrokinetic phenomena but also the capability of energy harvesting applications. The results show that energy harvesting performance is improved with the synthesis and control of low-dimensional materials as building blocks for the design of 2D material nanochannel by hybridization and structural reinforcement.