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Jul 12, 2023

Raggiungere una generazione efficiente di energia progettando bioispirati e multi

Nature Communications volume

Nature Communications volume 13, numero articolo: 5077 (2022) Citare questo articolo

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L’evaporazione dell’acqua è un fenomeno naturale di cambiamento di fase che si verifica sempre e ovunque. Sono stati compiuti enormi sforzi per raccogliere energia da questo processo onnipresente sfruttando l’interazione tra acqua e materiali con proprietà strutturali, chimiche e termiche personalizzate. Qui, sviluppiamo un nanogeneratore interfacciale multistrato guidato dall'evaporazione (IENG) che amplifica ulteriormente l'interazione introducendo un'ulteriore struttura bionica di intrappolamento della luce per un'efficiente generazione di luce-calore ed elettricità nella parte superiore e centrale del dispositivo. Da notare che progettiamo razionalmente anche lo strato inferiore per un sufficiente trasporto e stoccaggio dell'acqua. Dimostriamo che l'IENG fornisce una spettacolare potenza continua fino a 11,8 μW cm−2 in condizioni ottimali, più di 6,8 volte superiore al valore medio attualmente riportato. Ci auguriamo che questo lavoro possa fornire una nuova strategia bionica che utilizzi molteplici fonti di energia naturale per un’efficace generazione di energia.

L’evaporazione dell’acqua è un processo fisico onnipresente che svolge un ruolo essenziale nel ciclo globale dell’acqua1,2,3. Meno apparentemente, un fenomeno così dinamico di trasporto di massa e calore è anche associato a un vasto flusso di energia. Nel 2017 è stata segnalata la prima strategia di raccolta di energia basata sull’evaporazione, in grado di generare elettricità continua e considerevole attraverso il flusso d’acqua all’interno di fogli di nerofumo4. Negli ultimi anni sono stati compiuti notevoli sforzi per migliorare le prestazioni dei dispositivi5,6,7.

Recentemente, i materiali con proprietà strutturali, chimiche e termiche sono stati profondamente studiati per migliorare l'efficienza della raccolta di energia. Tra questi, la strategia di aumento della temperatura localizzata è la più importante per determinare la velocità di evaporazione interfacciale su una superficie dell'acqua8,9. L’evaporazione interfacciale alimentata dal calore solare è stata identificata come una promettente soluzione verde e sostenibile per il pressante problema globale della carenza d’acqua che può trasferire direttamente la luce al calore per l’evaporazione10,11,12,13. Con un'elegante scelta di materiali, condizioni e strutture, il tasso di evaporazione può raggiungere oltre 4 kg m−2 h−1 sotto 1 sole14,15,16. L'efficienza di assorbimento della luce della superficie è il collo di bottiglia fondamentale che impedisce un ulteriore aumento delle prestazioni di evaporazione. La strategia accoppiata bioispirata17,18,19,20,21 e la progettazione multistrato sono considerate una misura efficace per alleviare questo dilemma.

Qui, abbiamo sviluppato un nanogeneratore interfacciale basato sull’evaporazione (IENG) semplice ed efficiente che ha ottenuto una funzionalizzazione a strati e ha introdotto una struttura bionica di intrappolamento della luce per la generazione di luce, calore ed elettricità. Laddove il fondo è costituito da idrogel ionico poroso per l'approvvigionamento idrico, lo strato intermedio possiede nanotubi di carbonio a parete multipla (MWNT), MXene per una maggiore conduttività elettrica e lo strato superiore di nanofibre compone MWNT per la generazione di calore ed elettricità. Ancora più importante, il nostro design sfrutta la struttura che intrappola la luce sulla superficie dell'occhio di una falena che mostra una riflessione della luce solare quasi pari a zero e contribuisce a un'elevata efficienza di assorbimento della luce del 96,7% e a un eccellente tasso di evaporazione dell'acqua di 2,78 kg m−2 h −1 sotto un'intensità luminosa di 1 sole. Inoltre, derivante dall’elevato tasso di evaporazione, il nostro IENG mostra una densità di potenza in uscita di 11,8 μW cm−2 nella condizione modificata, più di 6,8 volte superiore al valore medio attualmente riportato. Il nostro dispositivo dimostra un nuovo concetto per lo sviluppo di sistemi di generazione di energia basati sull’evaporazione interfacciale naturale e funge da tentativo innovativo di ottenere energia raccolta da più fonti in ambienti esterni.

Le Figure 1a, b mostrano la progettazione dell'IENG. Nel complesso, il nostro IENG è una struttura gerarchica che possiede tre livelli funzionali. Lo strato superiore è ricoperto da nanofibre che compongono MWNT, fornendo la luce primaria alle proprietà di generazione di calore e elettricità. Lo strato intermedio è una matrice regolare con una dimensione attentamente progettata che imita l'occhio di falena e composta da perovskite di tipo IH, MWNT, MXene e CsPbBr3. Questa struttura bionica di cattura della luce (BL) ha funzionato come accessorio per rafforzare l’assorbimento della luce e la produzione elettrica. Lo strato inferiore comprende idrogel ionico (IH), che viene utilizzato per immagazzinare/fornire acqua stabile durante l'evaporazione.