Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm sinh học quy mô nano EPFL đã phát triển một hệ thống phát điện thẩm thấu cung cấp lượng điện chưa từng có trước đây. Điểm mới trong hệ thống này là có một màng dày ba nguyên tử được sử dụng để tách hai chất lỏng.

Cách thức hoạt động của màng dựa trên hiện tượng thẩm thấu như sau: Màng nằm giữa hai chất lỏng có nồng độ muối khác nhau. Ion muối đi qua màng cho đến khi nồng độ muối trong hai chất lỏng đạt trạng thái cân bằng. Nếu hệ thống được sử dụng với nước biển và nước ngọt, các ion muối trong nước biển được lọc qua màng vào nước ngọt cho đến khi cả hai chất lỏng có nồng độ muối bằng nhau. Và do một ion là một nguyên tử có điện tích, người ta có thể lợi dụng sự chuyển động của các ion muối để tạo ra điện.

Hệ thống EPFL gồm có hai ngăn chứa đầy chất lỏng được ngăn cách bởi một lớp màng mỏng làm bằng chất molybdenum disulfide. Màng có một lỗ nhỏ, hay còn gọi là nanopore, thông qua đó các ion nước biển đi vào nước ngọt cho đến khi nồng độ muối hai chất lỏng bằng nhau. Khi các ion đi qua nanopore, các điện tử của chúng được chuyển đến một điện cực – đây là cách thức để tạo ra một dòng điện.

Đặc tính của màng cho phép các ion tích điện dương đi qua, trong khi đẩy đi hầu hết các ion tích điện âm. Điều này giúp tạo ra điện áp giữa hai chất lỏng như một tụ điện tích dương và một tụ điện tích âm. Điện áp này tạo ra sự phát điện do chuyển ion vào dòng. 

Jiandong Phong, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: "Chúng tôi đã phải chế tạo và sau đó kiểm tra kích thước tối ưu của nanopore. Nếu kích thước quá lớn, các ion âm có thể đi qua và điện áp có thể xuống quá thấp. Nếu kích thước quá nhỏ, không đủ cho các ion đi qua thì dòng điện sẽ quá yếu".

Trong các loại hệ thống này, việc tăng dòng điện được thực hiện với một màng mỏng hơn. Và màng EPFL là chỉ dày vài nguyên tử. Vật liệu của nó được làm bằng - molybdenum disulfide - rất lý tưởng để tạo ra một dòng thẩm thấu. "Đây là lần đầu tiên một loại vật liệu hai chiều đã được sử dụng cho loại ứng dụng như thế này," Aleksandra Radenovic, trưởng phòng thí nghiệm nano sinh học cho biết.

Tiềm năng của hệ thống này rất lớn. Theo tính toán, một màng 1m² với 30% bề mặt được bao phủ bởi nanopores 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 thể dễ dàng tìm thấy trong tự nhiên hoặc có thể phát triển bằng cách lắng đọng hơi hóa chất, hệ thống có thể được đẩy mạnh để phát điện ở quy mô lớn. Thách thức lớn trong việc mở rộng quá trình này là tìm ra cách để làm cho các lỗ đồng đều nhau.

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã thực hiện trên một màng với một nanopore đơn, để hiểu chính xác những gì đang xảy ra. "Từ quan điểm kỹ thuật, hệ thống nanopore đơn là lý tưởng để tăng hiểu biết cơ bản của chúng ta về quá trình dựa vào màng và cung cấp thông tin hữu ích cho thương mại hóa cấp độ ngành công nghiệp'', Jiandong Feng cho biết.

Nghiên cứu của EPFL là một phần của một xu hướng đang phát triển hiện nay. Trong nhiều năm qua, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang phát triển hệ thống tận dụng sức mạnh thẩm thấu để phát điện. Các dự án thí điểm đã nổi lên ở những nơi như Na Uy, Hà Lan, Nhật Bản và Hoa Kỳ để tạo ra năng lượng tại các cửa sông, nơi dòng sông chảy ra biển. Hiện nay, các màng được sử dụng trong hầu hết các hệ thống là hữu cơ và mong manh, và tạo ra sản lượng thấp. Một số hệ thống sử dụng các chuyển động của nước, chứ không phải là ion, để quay các tuabin tạo ra điện.

Một khi hệ thống trở nên mạnh mẽ hơn, năng suất thẩm thấu có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra 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 thời gian ngày hay đêm nếu có một cửa sông gần đó.