[미국] UCI, 저가로 해수담수화 가능한 태양열 구동장치 개발
‘합성의, 빛에 의해 구동되는 양성자 펌프’…태양열 구동장치, 이온 수송 통해 전기 생성
일반적인 플라스틱 멤브레인에 감광성 염료를 결합시키고 물을 첨가함으로써, 캘리포니아 어바인(Irvine)에 있는 UCI(University of California)의 화학자들은 새로운 유형의 태양광 발전기를 만들었다. 이 장치는 친숙한 실리콘 광전지와 유사하지만 근본적인 방식이 다르다. 전자를 통해 생성되는 대신 전기가 이온의 운동에서 발생한다.
개발자에 의해 "합성의, 빛에 의해 구동되는 양성자 펌프"라고 불리는 이 혁신적인 기술은 이온 기원 때문에 바닷물에서 소금을 빼낼 수 있는 잠재력을 추가했다. 따라서 이 혁신적인 기술을 활용하면 저가의 해수담수화가 가능할 것으로 예상된다.
셀 출판사에서 2017년 11월 15일 발표한 발전기 기술에 관한 논문의 수석 저자이자 화학공학 및 재료과학의 UCI 조교수인 쉐인 아르도(Shane Ardo)는 "우리는 일반적인 폴리에틸렌 플라스틱, 광 흡수 염료 분자 및 물에 대해 이야기하고 있다" 면서 "그러한 장치를 만드는데 사용된 재료는 값싸게 될 수 있다"라고 말했다.
쉐인 아르도(Shane Ardo) 교수의 실험실에서 연구자들은 염료로 코팅 된 이온 수송 막의 이중층을 기반으로 한 시스템을 고안했다. 레이저 포인터의 빛(햇빛에 대한 실험실 시뮬레이션)에 닿으면 염료가 이온을 방출한다.
양이온으로도 알려진 양성자는 하나의 시트를 통과하고, 음이온으로도 알려진 음이온 수산화물은 다른 하나를 통과한다. 아르도 교수팀이 측정한 이러한 광활성 멤브레인은 평균 60밀리볼트(mV)를 생성하며 때로는 100밀리볼트(mV) 이상으로 상승한다.
쉐인 아르도(Shane Ardo) 교수는 "우리의 연구 결과는 햇빛을 이온 전기로 직접 전환하는 장치에 상당한 발전을 가져 왔으며 바닷물의 직접 담수화에 영향을 미친다. 이 연구에 대해 공개적으로 말하면, 보통의 플라스틱 물병을 들고 이 용기를 바다에 담그면 하루 한 시간 정도 앉아서 마실 수 있을까요?”라면서 물, 그 전망은 혁명적이다"라고 말했다.
아르도 연구실의 대학원생인 윌리암 화이트(William White)에 따르면, 과학자들은 제한된 성공으로 수십 년간 이온 교환 발전기를 개발하려고 노력 해왔다.
윌리암 화이트(William White)는 "1980년대에 광전자 물질이 이온 전류를 통과 시키도록 하는 다른 실험이 있었다"고 말한 후, "이론적 연구 결과에 따르면 이러한 전류는 전자 아날로그와 동일한 수준에 도달 할 수 있어야하지만 모두 잘 작동하는 것은 아니다"라고 말했다.
연구자들은 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템의 일부로 이 기술에 대한 다른 가능한 응용으로 보고 있다. 실리콘 기반 장치와 수성 환경은 혼합되지 않지만 Ardo 연구소에서 개발된 유연하고 유체 투과성인 구조물은 언젠가 살아있는 조직과 인공회로를 통합하는 방법을 제공 할 것으로 예상했다.
이 기술은 UCI의 물리과학학교와 고든과 베티 무어 재단(Gordon and Betty Moore Foundation)의 지원을 받았다.
"우리의 결과는 바닷물의 직접 담수화에 영향을 미치는 햇빛을 이온 전기로 직접 전환하는 장치에 대한 상당한 진전을 나타낸다."라고 화학공학 및 재료과학뿐만 아니라 UCI 조교수 인 쉐인 아르도(Shane Ardo)는 말한다.
[원문보기]
UCI Chemists' Solar-Powered Device Generates Electricity Through Ion Transport
Innovative technology could lead to low-cost seawater desalination
Irvine, Calif., Nov. 15, 2017 - By binding photosensitive dyes to common plastic membranes and adding water, chemists at the University of California, Irvine have made a new type of solar power generator. The device is similar to familiar silicon photovoltaic cells but differs in a fundamental way: Instead of being produced via electrons, its electricity comes from the motion of ions.
Dubbed the “synthetic, light-driven proton pump” by its creators, the innovation -because of its ionic basis - has the added potential capability of taking the salt out of seawater.
“The materials used to make such a device can be dirt-cheap,” said Shane Ardo, UCI assistant professor of chemistry, as well as chemical engineering & materials science, and senior author of a paper describing the generator published today in the Cell Press journal Joule. “We’re talking about common polyethylene plastic, light-absorbing dye molecules and water.”
In Ardo’s laboratory, researchers devised a system based on dual layers of dye-coated, ion-transporting membranes. When struck with light from a laser pointer - a laboratory simulation of sunlight - the dye releases ions. Positively charged protons, also known as cations, pass through one sheet, while negatively charged hydroxides, also known as anions, pass through the other. These photoactive membranes generate 60 millivolts, on average, occasionally climbing to more than 100 millivolts, as measured by Ardo’s team.
“Our results represent considerable progress toward a device that directly converts sunlight into ionic electricity, which has implications for direct desalination of seawater,” Ardo said.
When speaking in public about this research, he often holds up an ordinary plastic water bottle and asks, “What if it were possible to dip this container in the ocean, let it sit in full sun for about an hour and then be able to drink the water? The prospect of that is revolutionary.”
According to lead author William White, a graduate student in Ardo’s lab, scientists have been trying to develop an ion-exchange power generator for decades with limited success.
“There had been other experiments dating back to the 1980s that photo-excited materials so as to pass an ionic current through them,” he said. “Theoretical studies said that those currents should be able to reach the same levels as their electronic analogs, but none of them worked all that well.”
The researchers see other possible applications for the technology, including as part of a brain-computer interface system. Silicon-based devices and aqueous environments don’t mix, but the flexible, fluid-permeable structures being developed in the Ardo lab may one day offer a way of integrating living tissue and artificial circuitry.
This work was supported by UCI’s School of Physical Sciences and the Gordon and Betty Moore Foundation.
About the University of California, Irvine: Founded in 1965, UCI is the youngest member of the prestigious Association of American Universities. The campus has produced three Nobel laureates and is known for its academic achievement, premier research, innovation and anteater mascot. Led by Chancellor Howard Gillman, UCI has more than 30,000 students and offers 192 degree programs. It’s located in one of the world’s safest and most economically vibrant communities and is Orange County’s second-largest employer, contributing $5 billion annually to the local economy. For more on UCI, visit www.uci.edu.
Media access: Radio programs/stations may, for a fee, use an on-campus ISDN line to interview UCI faculty and experts, subject to availability and university approval. For more UCI news, visit news.uci.edu. Additional resources for journalists may be found at communications.uci.edu/for-journalists.
[출처 = 뉴스와이어(https://www.newswise.com/doescience/?article_id=685268&returnurl=aHR0cHM6Ly93d3cubmV3c3dpc2UuY29tL2FydGljbGVzL2xpc3Q=) / 2017년 11월 15일]