Thermodynamic analysis and material design to enhance chemo-mechanical coupling in hydrogels for energy harvesting from salinity gradients

自愈水凝胶 盐度 材料科学 化学工程 聚电解质 电解质 工作(物理) 肿胀 的 混合(物理) 热力学 化学 复合材料 高分子化学 聚合物 物理化学 物理 工程类 生物 量子力学 生态学 电极
作者
Sui Zhang,Shaoting Lin,Xuanhe Zhao,Rohit Karnik
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:128 (4) 被引量:16
标识
DOI:10.1063/5.0013357
摘要

Coupling between solution salinity and the mechanics of charged hydrogels presents an opportunity to harvest osmotic energy in a clean and sustainable way. By applying mechanical pressure to retard the swelling or deswelling of hydrogels in saline solutions, the free energy of mixing is converted into mechanical work. This study developed a theoretical framework and experimentally investigated the potential of hydrogels for energy production from salinity gradients. Mathematical modeling revealed the effect of parameters including the charge and elastic modulus of hydrogels, applied pressure, and the solution salinity on energy conversion using different thermodynamic cycles. With proper material design and process control, the thermodynamic efficiency of an ideal process was predicted to exceed 5% with 10 mM and 600 mM NaCl solutions. Experiments with poly (styrene sulfonate) hydrogels verified the theoretically predicted trends and demonstrated more than 10% thermodynamic efficiency for moderate-salinity sources, due to the unique swelling-strengthened mechanical properties of the gels. The study suggests the potential of polyelectrolyte hydrogels in the extraction of energy from low- to moderate-salinity sources and provides a framework for their design.
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