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Jul 12, 2023

Atingindo a geração de energia eficiente, projetando bioinspirado e multi

Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 5077 (2022) Citar este artigo

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A evaporação da água é um fenômeno natural de mudança de fase que ocorre a qualquer momento e em qualquer lugar. Enormes esforços foram feitos para colher energia desse processo onipresente, aproveitando a interação entre água e materiais com propriedades estruturais, químicas e térmicas personalizadas. Aqui, desenvolvemos um nanogerador multicamada orientado por evaporação (IENG) que amplifica ainda mais a interação, introduzindo uma estrutura de captura de luz biônica adicional para luz eficiente para aquecer e geração elétrica na parte superior e no meio do dispositivo. Notável, também projetamos racionalmente a camada inferior para transporte e armazenamento suficientes de água. Demonstramos que o IENG realiza uma saída de energia contínua espetacular de até 11,8 μW cm−2 em condições ideais, mais de 6,8 vezes mais do que o valor médio relatado atualmente. Esperamos que este trabalho possa fornecer uma nova estratégia biônica usando múltiplas fontes naturais de energia para geração de energia efetiva.

A evaporação da água é um processo físico onipresente que desempenha um papel essencial no ciclo global da água1,2,3. Menos aparentemente, esse fenômeno dinâmico de transporte de massa e calor também está associado a um vasto fluxo de energia. A primeira estratégia de coleta de energia baseada na evaporação foi relatada em 2017, o que pode gerar eletricidade contínua e considerável por meio do fluxo de água dentro das folhas de negro de fumo4. Nos últimos anos, grandes esforços foram feitos para aumentar o desempenho dos dispositivos5,6,7.

Recentemente, materiais com propriedades estruturais, químicas e térmicas são profundamente investigados para aumentar a eficiência da captação de energia. Entre eles, a estratégia de aumento de temperatura localizada é a mais importante para determinar a velocidade de evaporação interfacial na superfície da água8,9. A evaporação interfacial impulsionada pelo calor solar foi identificada como uma solução verde e sustentável promissora para o premente problema global de escassez de água, que pode transferir diretamente a luz para o calor para evaporação10,11,12,13. Com uma escolha elegante de materiais, condições e estruturas, a taxa de evaporação pode atingir mais de 4 kg m−2 h−1 sob 1 sol14,15,16. A eficiência de absorção de luz da superfície é o gargalo fundamental que restringe o aumento adicional no desempenho da evaporação. A estratégia bioinspirada acoplada17,18,19,20,21, o design multicamadas é considerado uma medida eficaz para aliviar esse dilema.

Aqui, desenvolvemos um nanogerador interfacial orientado por evaporação (IENG) simples e eficiente que alcançou a funcionalização em camadas e introduziu a estrutura de captura de luz biônica para geração de luz e calor e eletricidade. Em que o fundo é feito de hidrogel iônico poroso para abastecimento de água, a camada intermediária possui nanotubo de carbono de paredes múltiplas (MWNT), MXene para maior condutividade elétrica, e a camada superior de nanofibras compõe MWNT para geração de calor e eletricidade. Mais importante ainda, nosso projeto aproveita a estrutura de retenção de luz na superfície do olho de uma mariposa que exibe quase zero reflexo da luz solar e contribui para uma alta eficiência de absorção de luz de 96,7% e uma excelente taxa de evaporação de água de 2,78 kg m-2 h −1 sob uma intensidade de luz de 1 sol. Além disso, resultante da alta taxa de evaporação, nosso IENG exibe uma densidade de potência de saída de 11,8 μW cm-2 sob a condição modificada, mais de 6,8 vezes maior do que o valor médio relatado atualmente. Nosso dispositivo demonstra um novo conceito para o desenvolvimento de sistemas de geração de energia acionados por evaporação interfacial natural e atua como uma tentativa inovadora de obter energia colhida de várias fontes em ambientes externos.

A Figura 1a, b mostra o projeto do IENG. No geral, nosso IENG é uma estrutura hierárquica que possui três camadas funcionais. A camada superior é coberta por nanofibras que compõem o MWNT, fornecendo luz primária para calor e propriedades de geração elétrica. A camada do meio é uma matriz regular com um tamanho cuidadosamente projetado, imitando o olho de mariposa e perovskita composta do tipo IH, MWNT, MXene e CsPbBr3. Essa estrutura biônica de captura de luz (BL) funcionou como um acessório para fortalecer a absorção de luz e a saída elétrica. A camada inferior compreende hidrogel iônico (IH), que é empregado como um armazenamento/fornecimento estável de água durante a evaporação.