Новости

Jul 12, 2023

Достижение эффективного производства электроэнергии путем разработки биоинспирированных и многофункциональных

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5077 (2022) Цитировать эту статью

6383 Доступа

14 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Испарение воды — это естественное явление фазового перехода, происходящее всегда и везде. Огромные усилия были предприняты для сбора энергии из этого повсеместного процесса путем использования взаимодействия между водой и материалами с заданными структурными, химическими и термическими свойствами. Здесь мы разрабатываем многослойный межфазный наногенератор, управляемый испарением (IENG), который еще больше усиливает взаимодействие за счет введения дополнительной бионической светоулавливающей структуры для эффективного преобразования света в тепло и выработку электроэнергии в верхней и средней части устройства. Примечательно, что мы также рационально спроектировали нижний слой для достаточной транспортировки и хранения воды. Мы демонстрируем, что IENG обеспечивает впечатляющую непрерывную выходную мощность до 11,8 мкВт/см2 в оптимальных условиях, что более чем в 6,8 раз превышает среднее значение, сообщаемое в настоящее время. Мы надеемся, что эта работа может обеспечить новую бионическую стратегию использования нескольких природных источников энергии для эффективного производства энергии.

Испарение воды — это повсеместный физический процесс, который играет важную роль в глобальном круговороте воды1,2,3. Менее очевидно, что такое динамическое явление переноса массы и тепла также связано с огромным потоком энергии. В 2017 году было сообщено о первой стратегии сбора энергии на основе испарения, которая может генерировать непрерывную и значительную электроэнергию за счет потока воды в слоях сажи4. За последние несколько лет были предприняты значительные усилия по повышению производительности устройств5,6,7.

В последнее время проводятся глубокие исследования материалов со структурными, химическими и термическими свойствами для повышения эффективности сбора энергии. Среди них стратегия локального повышения температуры является наиболее важной для определения скорости межфазного испарения на поверхности воды8,9. Межфазное испарение, вызванное солнечным теплом, было определено как многообещающее экологически чистое и устойчивое решение насущной глобальной проблемы нехватки воды, которое может напрямую преобразовывать свет в тепло для испарения10,11,12,13. Благодаря элегантному выбору материалов, условий и конструкций скорость испарения может достигать более 4 кг м-2 ч-1 за 1 солнце14,15,16. Эффективность поглощения света поверхностью является фундаментальным узким местом, которое сдерживает дальнейшее увеличение эффективности испарения. В сочетании с биоинспирированной стратегией17,18,19,20,21 многоуровневый дизайн считается эффективной мерой решения этой дилеммы.

Здесь мы разработали простой и эффективный наногенератор, управляемый межфазным испарением (IENG), который достиг многоуровневой функционализации и представил бионическую структуру улавливания света для преобразования света в тепло и электрогенерацию. При этом нижний слой изготовлен из пористого ионного гидрогеля для подачи воды, средний слой содержит многостенные углеродные нанотрубки (MWNT), MXene для более высокой электропроводности, а верхний слой нановолокон состоит из MWNT для выработки тепла и электроэнергии. Самое главное, что в нашей конструкции используется светоулавливающая структура на поверхности глаза мотылька, которая практически не отражает солнечный свет и способствует высокой эффективности поглощения света (96,7%) и превосходной скорости испарения воды 2,78 кг м-2 ч. −1 при силе света 1 солнце. Кроме того, из-за высокой скорости испарения наш IENG демонстрирует плотность выходной мощности 11,8 мкВт/см2 в модифицированных условиях, что более чем в 6,8 раз выше, чем сообщаемое в настоящее время среднее значение. Наше устройство демонстрирует новую концепцию разработки систем генерации энергии на основе естественного межфазного испарения и представляет собой новаторскую попытку получить энергию, собранную из нескольких источников во внешней среде.

На рисунках 1а, б представлена ​​конструкция ИЭНГ. В целом наш IENG представляет собой иерархическую структуру, имеющую три функциональных уровня. Верхний слой покрыт нановолокнами, составляющими MWNT, обеспечивающими первичные световые, тепловые и электрические свойства. Средний слой представляет собой регулярный массив тщательно продуманного размера, имитирующий микрорельефный глаз, и состоит из перовскита типа IH, MWNT, MXene и CsPbBr3. Эта бионическая светоулавливающая (BL) структура работала как аксессуар для усиления поглощения света и увеличения электрической мощности. Нижний слой состоит из ионного гидрогеля (ИГ), который используется для стабильного хранения/подачи воды во время испарения.