Parvenir à une production d’énergie efficace en concevant des produits bioinspirés et multi

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 5077 (2022) Citer cet article

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L’évaporation de l’eau est un phénomène naturel de changement de phase qui se produit à tout moment et partout. D’énormes efforts ont été déployés pour récupérer l’énergie de ce processus omniprésent en tirant parti de l’interaction entre l’eau et des matériaux aux propriétés structurelles, chimiques et thermiques adaptées. Ici, nous développons un nanogénérateur interfacial multicouche piloté par évaporation (IENG) qui amplifie encore l'interaction en introduisant une structure bionique supplémentaire de piégeage de la lumière pour une génération efficace de lumière en chaleur et d'électricité sur le dessus et le milieu de l'appareil. Il convient de noter que nous concevons également de manière rationnelle la couche inférieure pour un transport et un stockage d'eau suffisants. Nous démontrons que l'IENG produit une puissance de sortie continue spectaculaire pouvant atteindre 11,8 μW cm−2 dans des conditions optimales, soit plus de 6,8 fois supérieure à la valeur moyenne actuellement rapportée. Nous espérons que ces travaux pourront fournir une nouvelle stratégie bionique utilisant plusieurs sources d’énergie naturelles pour une production d’énergie efficace.

L'évaporation de l'eau est un processus physique omniprésent qui joue un rôle essentiel dans le cycle mondial de l'eau1,2,3. De manière moins apparente, un tel phénomène dynamique de transport de masse et de chaleur est également associé à un vaste flux d’énergie. La première stratégie de récupération d'énergie basée sur l'évaporation a été signalée en 2017, qui peut générer une électricité continue et considérable grâce au flux d'eau dans les feuilles de noir de carbone4. Au cours des dernières années, des efforts considérables ont été déployés pour améliorer les performances des appareils5,6,7.

Récemment, les matériaux dotés de propriétés structurelles, chimiques et thermiques ont été approfondis pour améliorer l'efficacité de la récupération d'énergie. Parmi elles, la stratégie d’amélioration localisée de la température est la plus importante pour déterminer la vitesse d’évaporation interfaciale sur une surface d’eau8,9. L’évaporation interfaciale provoquée par la chaleur solaire a été identifiée comme une solution verte et durable prometteuse au problème mondial urgent de la pénurie d’eau, capable de transférer directement la lumière en chaleur pour l’évaporation10,11,12,13. Avec un choix élégant de matériaux, de conditions et de structures, le taux d’évaporation peut atteindre plus de 4 kg m−2 h−1 sous 1 soleil14,15,16. L’efficacité d’absorption de la lumière par la surface constitue le goulot d’étranglement fondamental qui empêche une augmentation supplémentaire des performances d’évaporation. Une stratégie bioinspirée couplée17,18,19,20,21 et une conception multicouche sont considérées comme une mesure efficace pour atténuer ce dilemme.

Ici, nous avons développé un nanogénérateur interfacial piloté par évaporation (IENG) simple et efficace qui a réalisé une fonctionnalisation en couches et introduit une structure bionique de piégeage de la lumière pour la production de lumière en chaleur et en électricité. Le fond est constitué d'hydrogel ionique poreux pour l'approvisionnement en eau, la couche intermédiaire possède des nanotubes de carbone à parois multiples (MWNT), du MXène pour une conductivité électrique plus élevée, et la couche supérieure de nanofibres compose du MWNT pour la production de chaleur et d'électricité. Plus important encore, notre conception exploite la structure de piégeage de la lumière à la surface de l'œil d'un papillon de nuit qui présente une réflexion presque nulle de la lumière du soleil et contribue à une efficacité d'absorption de la lumière élevée de 96,7 % et à un excellent taux d'évaporation de l'eau de 2,78 kg m−2 h. −1 sous une intensité lumineuse de 1 soleil. De plus, en raison du taux d'évaporation élevé, notre IENG présente une densité de puissance de sortie de 11,8 μW cm−2 dans les conditions modifiées, soit plus de 6,8 fois supérieure à la valeur moyenne actuellement rapportée. Notre appareil démontre un nouveau concept de développement de systèmes de production d’énergie naturels basés sur l’évaporation interfaciale et constitue une tentative révolutionnaire pour obtenir de l’énergie récupérée à partir de sources multiples dans des environnements externes.

Les figures 1a et b montrent la conception de l'IENG. Globalement, notre IENG est une structure hiérarchique possédant trois niveaux fonctionnels. La couche supérieure est recouverte de nanofibres composant le MWNT, fournissant la principale lumière aux propriétés de production de chaleur et d'électricité. La couche intermédiaire est un réseau régulier avec une taille soigneusement conçue imitant l'œil du papillon et composé de pérovskite de type IH, MWNT, MXene et CsPbBr3. Cette structure bionique de piégeage de la lumière (BL) a fonctionné comme un accessoire pour renforcer l’absorption de la lumière et la production électrique. La couche inférieure comprend un hydrogel ionique (IH), qui sert de stockage/approvisionnement en eau stable pendant l'évaporation.