Aus der Luft gegriffen: Dünnfilm erzeugt Strom aus Luftfeuchtigkeit

Stromgewinnung ist ein Thema, das in der Zukunft immer wichtiger werden wird. Dabei werden auch bisher weniger genutzte physikalische und elektrochemische Methoden eine Rolle spielen. Beispiele dafür sind triboelektrische Generatoren oder Stromerzeugung aus Wärmegradienten. Forscher:innen der Northeast Normal University in China haben einen weiteren Weg aufgetan: Ihr Generator erzeugt Strom aus der Feuchtigkeit in der Luft. Dabei nutzt er einen Ionen-Gradienten, mit dem ein elektrisches Potential erzeugt wird.

Alternative Form der Energiegewinnung

„Die Luftfeuchtigkeit ist eine überall präsente und stabile Energiequelle, die großes Potenzial für Anwendungen hat„, schreiben die Forscher:innen rund um Tuo Ji von der Northeast Normal University. Wasserdampf in der Luft ist in der Lage, Ladungen und geladene Teilchen zu transportieren, was elektrische Felder generiert. Dies bekommen wir im Alltag etwa in Form von Gewittern und den teils enormen dabei entstehenden Spannungen demonstriert.

Ji und sein Team wollten diese Energie nutzbar machen. Dafür haben sie einen Generator entwickelt, mit dem der Wasserdampf aus der Luft eingefangen wird und der gleichzeitig geeignete Ladungsträger zur Verfügung stellt. Die Forscher:innen nutzen die absorbierten Wassermoleküle als Medium, das Ionen bewegt und so Strom erzeugt.

Der Generator des Teams besteht aus Polyoxometallaten (POM). Dabei handelt es sich um große, anorganische Moleküle, die aus Metallen und viel Sauerstoff bestehen. Sie können selbstorganisiert poröse, netzähnliche Gitter bilden. „POM können zu Polyoxoanionen und Kationen ionisiert werden, die in Wasser unterschiedlich gut wandern können„, erklären die Forscher:innen die Vorteile der Moleküle. Als Polyoxoanionen bezeichnet man große, positiv geladene Ionen aus mehreren Metallatomen.

Strom aus der Luft

Für ihren Generator verwenden die Wissenschaftler:innen ein Polyoxometallat aus Phosphat, Wolfram und Kupfer. Aus diesem erzeugen sie Nanodrähte mit besonders vielen Mikroporen. Diese Nanodrähte werden dann als Dünnfilm auf eine Unterlage aus fluordotiertem Zinnoxid-Glas (FTO) aufgetragen, die dann auch als Elektrode des Generators fungiert. Die zweite Elektrode ist eine gewöhnliche Kupferelektrode, die auf der Oberfläche des Dünnfilms angebracht wird.

Wird der Generator der Feuchtigkeit in der Luft ausgesetzt, so fangen die Mikroporen des Dünnfilms die Wassermoleküle in der Luft ein. In den oberen Schichten sammeln sich mehr Wassermoleküle als in den tiefen Schichten, was einen Gradienten erzeugt. „Dieser H2O-Verteilungsgradient verursacht nun einen Ionen-Gradienten im POM, durch den positiv geladene Kationen in Bewegung geraten„, erklären die Forscher:innen. Die Bewegung der Ionen erzeugt ein elektrisches Potential, das zur Gewinnung von Strom genutzt werden kann.

Tests mit kleinem Prototypen

In ersten Tests kam dann ein kleiner Prototyp mit einer Dicke von nur sieben Mikrometern und einer Fläche von 0,36 Quadratzentimetern zum Einsatz. Dieser Prototyp wurde bei Raumtemperatur und bei relativen Luftfeuchtigkeiten zwischen zehn und 90 Prozent eingesetzt.

Bei rund 50 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit erzeugte das Miniatur-System eine Spannung von 0,68 Volt bei einer Stromdichte von 19,5 Mikroampere pro Quadratzentimeter. „Anders als sonst oft beobachtet, erfolgt die Entladung durch die Kationenbewegung dabei nicht schnell, sondern ist längere Zeit stabil – der elektrische Output wird durch andere Prozesse im System stabilisiert„, so die Forscher:innen. Das System arbeitet zudem bei allen getesteten Luftfeuchtigkeiten.

POM-Generatoren für Niedrigenergie-Anwendungen

Derartige POM-Generatoren haben damit das Potential, Strom direkt aus der Luft bzw. der darin enthaltenen Feuchtigkeit zu gewinnen. Die Energiemengen, die so gewonnen werden können, sind nicht besonders groß, sodass diese Generatoren für Anwendungen mit niedrigem Energiebedarf geeignet sein können. „Dies ist der erste auf Feuchtigkeit basierende Stromgenerator, der aus Polyoxymetallaten besteht – dies könnte neue Ansätze für die Nutzung dieser Materialien in Niedrigenergie-Anwendungen bieten„, schließen die Forscher:innen.

via EurekaAlert!

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