Noticias

Jul 12, 2023

Lograr una generación de energía eficiente mediante el diseño bioinspirado y multi

Volumen de comunicaciones de la naturaleza

Nature Communications volumen 13, Número de artículo: 5077 (2022) Citar este artículo

6383 Accesos

14 citas

1 Altmetric

Detalles de métricas

La evaporación del agua es un fenómeno natural de cambio de fase que ocurre en cualquier momento y en todas partes. Se han realizado enormes esfuerzos para obtener energía de este proceso omnipresente aprovechando la interacción entre el agua y los materiales con propiedades estructurales, químicas y térmicas adaptadas. Aquí, desarrollamos un nanogenerador interfacial impulsado por evaporación (IENG) de múltiples capas que amplifica aún más la interacción mediante la introducción de una estructura biónica adicional que atrapa la luz para una generación eficiente de luz a calor y electricidad en la parte superior y media del dispositivo. Notable, también diseñamos racionalmente la capa inferior para suficiente transporte y almacenamiento de agua. Demostramos que el IENG realiza una salida de potencia continua espectacular de hasta 11,8 μW cm−2 en condiciones óptimas, más de 6,8 veces mayor que el valor promedio informado actualmente. Esperamos que este trabajo pueda proporcionar una nueva estrategia biónica utilizando múltiples fuentes de energía natural para la generación de energía efectiva.

La evaporación del agua es un proceso físico omnipresente que juega un papel esencial en el ciclo global del agua1,2,3. Menos aparentemente, tal fenómeno dinámico de transporte de masa y calor también está asociado con un gran flujo de energía. La primera estrategia de recolección de energía basada en la evaporación se informó en 2017, que puede generar electricidad continua y considerable a través del flujo de agua dentro de las láminas de negro de humo4. En los últimos años, se han realizado grandes esfuerzos para mejorar el rendimiento de los dispositivos5,6,7.

Recientemente, los materiales con propiedades estructurales, químicas y térmicas se están profundizando para mejorar la eficiencia de la recolección de energía. Entre ellos, la estrategia de mejora de temperatura localizada es la más importante para determinar la velocidad de evaporación interfacial en una superficie de agua8,9. La evaporación interfacial impulsada por el calor solar se ha identificado como una solución verde y sostenible prometedora para el acuciante problema mundial de la escasez de agua que puede transferir directamente la luz al calor para la evaporación10,11,12,13. Con una elección elegante de materiales, condiciones y estructuras, la tasa de evaporación puede alcanzar más de 4 kg m-2 h-1 bajo 1 sol14,15,16. La eficiencia de absorción de luz de la superficie es el cuello de botella fundamental que restringe un mayor aumento en el rendimiento de evaporación. La estrategia bioinspirada acoplada17,18,19,20,21, el diseño multicapa se considera una medida eficaz para paliar este dilema.

Aquí, desarrollamos un nanogenerador interfacial impulsado por evaporación (IENG) simple y eficiente que logró la funcionalización en capas e introdujo una estructura de captura de luz biónica para la generación de luz a calor y electricidad. Donde la parte inferior está hecha de hidrogel iónico poroso para el suministro de agua, la capa intermedia posee nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT), MXene para una mayor conductividad eléctrica, y la capa superior de nanofibras compone MWNT para la generación de calor y electricidad. Lo que es más importante, nuestro diseño aprovecha la estructura que atrapa la luz en la superficie del ojo de una polilla que exhibe un reflejo casi nulo de la luz solar y contribuye a una alta eficiencia de absorción de luz del 96,7 % y una excelente tasa de evaporación de agua de 2,78 kg m−2 h −1 bajo una intensidad luminosa de 1 sol. Además, como resultado de la alta tasa de evaporación, nuestro IENG exhibe una densidad de potencia de salida de 11,8 μW cm−2 en la condición modificada, más de 6,8 veces mayor que el valor promedio informado actualmente. Nuestro dispositivo demuestra un nuevo concepto para desarrollar sistemas de generación de energía impulsados ​​por la evaporación interfacial natural y actúa como un intento innovador para obtener energía recolectada de múltiples fuentes en entornos externos.

Las Figuras 1a, b muestran el diseño del IENG. En general, nuestro IENG es una estructura jerárquica que posee tres capas funcionales. La capa superior está cubierta por nanofibras que componen MWNT, proporcionando las propiedades primarias de generación de luz, calor y electricidad. La capa intermedia es una matriz regular con un tamaño cuidadosamente diseñado que imita el ojo de polilla y está compuesta por perovskita de tipo IH, MWNT, MXene y CsPbBr3. Esta estructura biónica de captura de luz (BL) funcionó como un accesorio para fortalecer la absorción de luz y la salida eléctrica. La capa inferior comprende hidrogel iónico (IH), que se emplea como almacenamiento/suministro de agua estable durante la evaporación.

un diagrama esquemático de la estructura del IENG para el evaporador todo en uno hacia la evaporación de agua y la generación de electricidad simultáneas. b Diagrama esquemático de la composición de un IENG fabricado. c Características morfológicas del ojo de la polilla. d Microestructura superficial de la capa intermedia biónica. e Imagen SEM de sección transversal de la capa superior. f Potencial zeta del IENG. g Conductividad eléctrica de diferentes capas. h Patrón de difracción de rayos X de CsPbBr3 bajo diferentes tiempos de evaporación. Las barras de error representan desviaciones estándar.

La estructura BL del IENG está inspirada en los ojos de la polilla del halcón de frijol, que consta de estructuras hexagonales formadas por una serie de pilares en forma de cono (Figuras complementarias 1a, b y Figura 1c). Para imitar tal estructura22,23,24, empleamos un método de plantilla 3D único con capacidad de modificación de parámetros de alta precisión y potencial para la producción a gran escala (Fig. 2 complementaria). Para otras capas funcionales, fabricamos el IENG mediante el autoensamblaje en capas. El método de preparación específico se describe en el proceso de preparación del IENG a continuación.

Después de la fabricación, encontramos que la superficie de la capa intermedia exhibe una estructura cóncava-convexa periódica que puede atrapar más luz para generar calor (Fig. 1d). Introdujimos un método de procesamiento parcial para la fabricación de poros en dicha capa. Los mesoporos con diámetros de aproximadamente 20 nm se encuentran dispersos uniformemente en esta estructura para garantizar un suministro de agua suficiente durante el proceso de evaporación. La capa superior es una estructura porosa en forma de rejilla formada por nanofibras porosas de micro/nanoescala (Fig. 1e) con un espesor de 190 µm y una porosidad de aproximadamente 84,4 % (Fig. 3a complementaria). MWNT y MXene se agregan en la capa superior y media del IENG (Fig. 1g) para disminuir la resistencia interna y aumentar la potencia de salida.

Fundamentalmente, la generación de electricidad del IENG es un proceso de interacción que implica la elección de la hidrofilia, la densidad de carga superficial y la durabilidad del dispositivo. Para demostrar su potencial como un excelente generador eléctrico, probamos que la superficie de la capa superior es hidrófila (Fig. 3b complementaria), y el potencial zeta debe ser tan alto como −27.04 eV (Fig. 1f), que es el propiedad fundamental para la generación de energía. También analizamos la densidad de carga superficial de este dispositivo en condiciones secas y húmedas. A medida que la capa cambia de seca a húmeda, aumenta bruscamente de una pequeña carga negativa (−0,43 nC cm−2) a −14,2 nC cm−2 (Figuras complementarias 3c, d). Además, investigamos la estabilidad de trabajo de la perovskita CsPbBr3 en la capa intermedia del IENG dejando que el dispositivo se evapore durante 7 días. Como muestra el espectro XRD, un pico característico claro después de la prueba demuestra una excelente estabilidad (Fig. 1h).

A continuación, probamos la propiedad de generación de energía de nuestro IENG bajo una intensidad de luz de 2 kW·m−2. Como se muestra en la Fig. 2a, b, se alcanza un voltaje de circuito abierto de hasta 432 mV cm−2, que es 9,82 veces mayor que el valor promedio informado (Fig. 4 complementaria), y una corriente de cortocircuito es 64,2 µA cm−2. También podemos concluir que el rendimiento superior se origina en los MWNT y la estructura BL. Cuando se agregan MWNT al IH, el voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito mejoran considerablemente. Además, cuando se introduce la estructura BL, el voltaje y la corriente de salida aumentan bruscamente casi 3 veces. De acuerdo con la potencia de salida, la presencia de las capas intermedia y superior mejora en gran medida el rendimiento de evaporación de agua del dispositivo, la tasa de evaporación correspondiente aumenta de 1,848 a 2,41 y 2,78 kg m-2 h-1, respectivamente. La eficiencia de conversión de energía calculada de nuestro IENG es del 86,3 % y el rendimiento general es superior al de algunos evaporadores solares existentes (Fig. 2c, d, Fig. 5a, b complementaria y Nota 1, 2).

a Voltaje de circuito abierto por unidad de área del IH, el IH con MWNT y el IENG. b Corrientes de cortocircuito por unidad de área para el IH, el IH con MWNT y el IENG. c Tasas de evaporación de agua a granel y el IENG con diferentes capas en más de 1 h. d Eficiencias de conversión de energía y tasas de evaporación de agua a granel y el IENG con diferentes capas. Las longitudes, anchuras y alturas fueron de 10 mm, 10 mm y 20 mm, respectivamente. Las barras de error representan desviaciones estándar.

La eficiencia de conversión fototérmica es el parámetro fundamental para los evaporadores interficiales, que afecta efectivamente el rendimiento de la generación de energía. Nuestro IENG está de acuerdo con la estructura de captura de luz biónica. De acuerdo con las ecuaciones dadas a continuación,

donde n2 es el índice de refracción del sustrato, n1 es el índice de refracción del aire, d es el diámetro del cilindro, f (x, y) es una función periódica única y * es el símbolo de convolución. En nuestro IENG, el índice de refracción de la estructura del ojo de polilla es n2 = 30 en la banda infrarroja de onda larga. El período de la microestructura Λ es de 50 ± 0,1 µm, la profundidad h es de 30 ± 0,5 µm y el diámetro del fondo d es de 20 ± 0,1 µm. La reflectividad teórica fue del 3% para nuestro dispositivo (para el modelo teórico, consulte la Fig. 6a complementaria)25.

Medimos la absorbancia de luz de diferentes muestras a longitudes de onda entre 190 y 2500 nm (Fig. 3a). La eficiencia de absorción de luz promedio de la capa intermedia inferior es de aproximadamente 94,7%. La adición de perovskita tipo CsPbBr3 (Fig. 6b, c complementaria) y las nanofibras porosas pueden mejorar aún más la absorción de luz hasta el 96,8 %, lo que se acerca a los valores teóricos de reflectancia de los ojos de polilla (~97 %) y más altos que los de otros tipos de evaporadores solares (Fig. 6d complementaria). Una eficiencia de absorción de luz tan excelente se origina en la reflexión y absorción múltiples por parte de los materiales de absorción de luz dentro de la capa BL (Fig. 7a complementaria). De acuerdo con los resultados de absorción espectral de luz, la temperatura de la superficie de nuestro IENG mejoró significativamente en comparación con otras muestras (Fig. 3b, d). También analizamos la temperatura de la superficie lateral de diferentes muestras mediante una cámara IR. La temperatura muestra una distribución de gradiente desde la superficie hasta el fondo de nuestro IENG después de la irradiación durante 1 h (Fig. 3c). Demuestra la excelente capacidad de nuestro IENG para localizar el calor en la superficie. La variación de la temperatura de la superficie lateral dependiente del tiempo a diferentes profundidades para diferentes muestras se registró en la Fig. 3e. Mostró que la temperatura de la superficie lateral de nuestro IENG es significativamente más alta que la de la capa media inferior a la misma profundidad, lo que confirma aún más la perfecta capacidad de conversión de luz a calor de nuestro IENG.

a Espectros de absorción de luz de los IENG en el rango de longitud de onda de 190–2500 nm. b Curvas de temperatura superficial de los IENG bajo una intensidad de luz solar de 1,0 kW· m−2. c Imágenes de temperatura de la superficie lateral del IENG grabadas a través de una cámara IR. d Imagen térmica IR de la interfaz de evaporación IENG. e Variación de la temperatura de la superficie lateral dependiente del tiempo a diferentes profundidades para el IENG y la capa media inferior.

La capacidad de suministro de agua también es un cuello de botella crítico para la evaporación. En la capa intermedia inferior de nuestro IENG, los componentes porosos de celulosa/líquido iónico pueden funcionar como un depósito enorme y una bomba potente26,27. Calculamos la relación de contenido de agua saturada de diferentes capas para evaluar la capacidad de absorción de agua28,29,30. Estos resultados mostraron que la relación de contenido de agua más alta fue de aproximadamente 82% para la capa media inferior (Figura complementaria 7b), lo que garantiza el suministro de agua durante la evaporación.

Además, probamos la entalpía de vaporización de nuestro dispositivo, que mostró una fuerte disminución en comparación con el agua pura (Fig. 8 complementaria). Esto se debe a que el marco de hidrogel en nuestro IENG perturba la estructura neta de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua, dando lugar a una gran cantidad de agua intermedia (IW) que consume menos energía cuando se evapora, lo que aumenta la tasa general de evaporación del agua31,32.

El ambiente marino varía todo el tiempo. Por lo tanto, analizamos la generación de energía de nuestro dispositivo en diferentes condiciones, incluida la fuerza de irradiación, la concentración de iones y la velocidad del viento. En primer lugar, exploramos el rendimiento de generación de energía del IENG con cambios en la intensidad de la luz. Al aumentar la intensidad de la luz externa de 0 a 2 kW·m−2, el voltaje de circuito abierto del IENG aumenta de 0,09 a 0,42 V (Fig. 4a), y la corriente de cortocircuito aumenta de 12,5 a 122,3 μA (Fig. 4b), la densidad de potencia máxima se prueba a 5,1 μW·cm−2 (Fig. 4c). Al mismo tiempo, la tasa de evaporación de agua del IENG también mejora con la mejora de la intensidad de la luz (Fig. 9a-c complementaria). Además, también encontramos que el voltaje de circuito abierto, la corriente de cortocircuito y la densidad de potencia exhiben una relación exponencial simple con las intensidades de la luz (Fig. 9d-i complementaria). Para averiguar la relación entre la tasa de evaporación del agua y la potencia de salida, realizamos un ajuste lineal entre ellos. Como se muestra en la Fig. 9j-l complementaria, la generación de energía del IENG aumentó exponencialmente con la tasa de evaporación del agua, lo cual está en línea con las fórmulas teóricas en la Nota complementaria 3 y la Nota 432,33.

a–c Rendimiento de generación de energía de los IENG bajo diferentes intensidades de luz. d–f Rendimiento de generación de energía de los IENG en diferentes líquidos. g–i Rendimiento de generación de energía de los IENG bajo diferentes velocidades del viento. Las longitudes, anchuras y alturas fueron de 20 mm, 20 mm y 20 mm, respectivamente. Las barras de error representan desviaciones estándar.

Luego, exploramos el rendimiento de generación de energía del IENG en un entorno de agua DI, agua del grifo, agua de mar y diferentes concentraciones de solución de NaCl con una intensidad de luz de 2 kW·m−2. Encontramos que la tendencia de cambio de voltaje de circuito abierto posee dos procesos. Primero aumenta de 0,42 para agua DI a 0,493 V para agua de mar y luego disminuye a 0,434 V al aumentar aún más la concentración de iones a 1 mol L-1 (Fig. 4d). Esto se debe a que, para el primer proceso, el aumento de la concentración de iones significa que fluyen más cationes simultáneamente, lo que aumenta el voltaje de circuito abierto. Sin embargo, una concentración de iones excesiva provocaría una rápida precipitación de sal durante el proceso de evaporación, bloqueando los poros internos para la evaporación y disminuyendo la salida de voltaje. Al mismo tiempo, los iones en aumento protegen rápidamente la carga superficial de los nanocanales de IENG, lo que reduce la capacidad de selectividad catiónica del IENG, lo que también da como resultado un deterioro en la salida de voltaje34,35. Sin embargo, la corriente de cortocircuito disminuye continuamente de 122,3 μA a 113,1 μA y 103,2 μA (Fig. 4e). Esto se debe a que el proceso de precipitación de sal hace que aumente la resistencia interna del IENG, por lo que la corriente de cortocircuito del IENG disminuye continuamente con el aumento de la concentración de iones. Cabe señalar que aquí se ignora la influencia de la presión osmótica causada por una alta concentración de iones en su generación de energía (Figura complementaria 10a, b). Bajo resistencia a la carga, la densidad de potencia máxima de nuestro IENG alcanzó los 5,9 μW·cm−2 (Fig. 4f) para realizar pruebas en agua de mar, lo que hace posible su aplicación práctica (Figs. 11 y 12 complementarias).

Dado que la velocidad del viento influye fuertemente en la evaporación, también exploramos el rendimiento de generación de energía del IENG en entornos de velocidad del viento de 0, 1, 2 y 3 m s−1 probados en agua de mar con una intensidad de luz de 2 kW·m−2. La Figura 4g, h mostró que a medida que la velocidad del viento aumentaba de 0 a 1 m·s−1, el voltaje de circuito abierto del IENG aumentaba de 0,493 a 0,543 V y la corriente de cortocircuito aumentaba de 113,1 a 121,4 μA. Bajo resistencia a la carga, su densidad de potencia máxima alcanzó los 6,3 μW·cm−2 (Fig. 4i). Sin embargo, cuando la velocidad del viento aumenta más allá de 1 m·s−1, el rendimiento de generación de energía del IENG comienza a disminuir. Esto se debe a que cuando la velocidad del viento es inferior a 1 m·s−1, el aumento de la velocidad del viento beneficia la evaporación del agua, lo que mejora el rendimiento general de generación de energía del IENG4,36. Sin embargo, cuando la velocidad del viento es demasiado alta, domina la evaporación de la pared lateral, lo que debilita la interacción entre el catión y los MWNT enterrados principalmente en la superficie superior37.

Estos resultados ilustraron que nuestro IENG ha optimizado el rendimiento de generación de energía en agua de mar con una intensidad de luz de 2 kW·m−2 y una velocidad del viento de 1 m·s−1. Tenía una tensión máxima de circuito abierto de 0,543 V, una corriente máxima de cortocircuito de 121,4 μA y una potencia de salida de 25,4 μW·con una carga externa de 7460 Ω.

El principio de funcionamiento del IENG se puede rastrear a partir de dos procesos: (a) convertir la energía solar en energía cinética de las moléculas de agua y (b) convertir la energía cinética de las moléculas de agua en electricidad.

En el primer proceso, el diseño de la superficie del ojo de la polilla inspirado en la naturaleza fortaleció significativamente la eficiencia de conversión de luz a calor, aumentando la tasa de evaporación del agua en la interfaz superior media bajo la luz del sol. Se puede generar una gran fuerza de tracción de transpiración como la evaporación del agua (Qeva). Al mismo tiempo, la concentración de iones también aumentará en la superficie sólido-líquido, contribuyendo a una fuerza de ósmosis cada vez mayor (Qosm). Estas dos fuerzas en la misma dirección cooperan para arrastrar rápidamente el agua a través de los poros del hidrogel y los espacios entre los MWNT38,39 (Fig. 5a (i)).

a Principio de generación de energía para el IENG inducido por la evaporación del agua: (i) Diagrama esquemático de la trayectoria del flujo de agua y la evaporación en el IENG, (ii) La izquierda representa el diagrama esquemático de la etapa inicial, que muestra la distribución específica de iones dentro del canal. Y el de la derecha es el diagrama esquemático del estado estacionario, que representa el transporte de iones en la doble capa eléctrica superpuesta. b Tasa de evaporación de agua del IENG en un ambiente marino simulado. El entorno normal tenía una intensidad de luz de 1,0 kW·m-2, sin viento y agua desionizada, y el entorno optimizado tenía una intensidad de luz de 2,0 kW·m-2, una velocidad del viento de 1 m s-1 y agua de mar. c Densidad de potencia de salida del IENG medida bajo diferentes resistencias de carga. d Comparación de la densidad de potencia generada por el IENG y otros IENG impulsados ​​por energía solar. e Fotografía de un sistema de trabajo autoamplificado desarrollado. Las barras de error representan desviaciones estándar.

Este último proceso puede explicarse por el efecto hidrovoltaico (Fig. 5a (ii)). Específicamente, al ponerse en contacto con el agua, se hidrolizaron los grupos funcionales que contienen oxígeno en la superficie de los MWNT, como los grupos carboxilo e hidroxilo. Por lo tanto, se forma una capa eléctrica de carga negativa40. Luego, los cationes (H3O+, Na+, etc.) en el agua son atraídos por esta capa eléctrica negativa en la superficie de los MWNT a través de la fuerza de Coulomb y, por lo tanto, se forma una doble capa eléctrica. Debido a la brecha extremadamente estrecha entre los MWNT, las capas de Debye en la doble capa eléctrica se superponen, donde solo dominan los cationes41,42. Por lo tanto, cuando ocurre la evaporación en la superficie, el agua fluye dentro de los espacios entre los MWNT, arrastrando el H3O+ en la dirección del flujo de agua43,44. Esto provocó una gran diferencia de concentración entre los dos extremos de los flujos de agua, formando un potencial de flujo y un campo de Coulomb fluctuante45. Después de la conexión, el acoplamiento del viento de fonones y un campo de Coulomb fluctuante impulsaron la transferencia de electrones para generar una corriente continua46.

La tasa de evaporación de agua de nuestro IENG alcanza los 4,385 kg m-2 h-1 con una irradiación de luz de 2,0 kW·m-2 y una velocidad del viento de 1 m s-1 (Fig. 5b). La calidad del agua dulce cumplió con los estándares de agua potable humana de la OMS (Figura complementaria 13a)47,48. Además, nuestro IENG puede funcionar bien en el entorno real, lo que demuestra su viabilidad (Fig. 14 complementaria). Cuando la resistencia de carga alcanza los 5793 Ω, la potencia de salida cargada alcanza un máximo de 11,8 μW cm−2 (Fig. 5c y Fig. 13b complementaria), más de 6,8 veces mayor que el valor promedio informado actualmente33,37,38,49, 50, 51, 52, 53, 54 (figura 5d).

También hicimos un análisis estadístico. Con una producción de agua dulce de 2,19 kg h-1 m-3 y una generación eléctrica de 10 W hm-3, nuestro dispositivo IENG solo cuesta aproximadamente 800 RMB m-2, lo que demuestra su potencial de realismo y escalabilidad. Además, se diseñó un sistema integrado electrónico autoalimentado. Como se muestra en la Fig. 5e, un dispositivo de bajo voltaje puede operar de forma continua solo con la entrada de energía solar y eólica, lo que demuestra una oportunidad para desarrollar plataformas de generación de energía en alta mar y dispositivos de suministro de agua dulce (circuito de sistema de trabajo en la Fig. 15a, b complementaria).

En resumen, hemos demostrado un eficiente sistema de generación de energía impulsado por evaporación interfacial de múltiples capas que imita la estructura natural de la superficie del ojo de la polilla. Las ventajas de este dispositivo incluyen una excelente capacidad de suministro/almacenamiento de humedad, excelente propiedad de conversión de calor solar y notable conductividad eléctrica, lo que le permite utilizar eficientemente el calor ambiental de bajo grado para la recolección de agua dulce y la generación de energía. Bajo la condición modificada, nuestro dispositivo realiza una excelente producción de agua dulce de 2,78 kg m-2 h-1 con una intensidad de luz de 1,0 kW·m-2 y una densidad de potencia de salida eléctrica de 11,8 μW cm-2, que es más de 6,8 veces más grande que los dispositivos promedio. El efecto sinérgico de la evaporación mejorada y el efecto hidrovoltaico contribuye a este buen rendimiento. Por lo tanto, este trabajo demuestra un enfoque sostenible de generación de energía impulsado por la evaporación interfacial y proporciona una base para utilizar múltiples fuentes de energía natural. Puede servir para desarrollar plataformas de generación de energía en alta mar y dispositivos de suministro de agua dulce en el futuro.

El líquido iónico de cloruro de 1-n-butil-3-metilimidazolio (BMIMCl) utilizado en el experimento se adquirió del Instituto de Física Química de Lanzhou, Academia de Ciencias de China. El polietilenglicol (PEG, peso molecular 100 MW) y la perovskita de tipo CsPbBr3 se adquirieron de Macleans Co., Ltd, China. La α-celulosa (tamaño de partícula de 90 μm), la etilcelulosa y el quitosano (Cs) se obtuvieron de Aladdin Co., Ltd, China. El ácido acético (60% de pureza), el etanol y la polianilina se adquirieron de Yongchang Reagent Co., Ltd, China. Los MWNT (diámetro 15 nm, concentración de iones 10 % en peso) y MXene (peso molecular 194,6) se adquirieron de Turing Technology Co., Ltd, China.

Primero, la celulosa se disolvió en BMIMCl en condiciones de baño de agua. Se añadieron MWNT a la mezcla en secuencia y se agitaron uniformemente. Los 2/3 del volumen de la mezcla se vertieron directamente en un molde especial de ácido poliláctico y el 1/3 del volumen de la mezcla se vertió en la parte superior de este molde añadiendo MXene/CsPbBr3 y mezclando uniformemente. Después de la separación de fases, se colocó y enfrió la mezcla, cuya superficie superior tiene la estructura biónica diseñada para atrapar la luz. Se prepara un IH mesoporoso con superficie biónica que atrapa la luz (la capa intermedia inferior). Posteriormente, se obtiene una solución de ácido acético que se disuelve con dispersiones de Cs, PEG y MWNTs para preparar una solución precursora para electrohilado. La solución precursora se agitó y se inyectó en una máquina de hilar electrostática JDF05 con un voltaje de 20 kV y una velocidad de presión de 0,1 mm s−1. Se roció sobre la superficie de la capa biónica que atrapa la luz mediante un método de autoensamblaje para construir la capa superior. Después del secado, se fabricó el IENG con la estructura superficial natural del ojo de polilla.

Las características estructurales del IENG se observaron a través de un microscopio electrónico de barrido con un voltaje de aceleración de 5 kV (JSN-7500F, Japón). La transmitancia óptica y el espectro de reflectancia del IENG se midieron con un espectrofotómetro ultravioleta-visible (Lambda 950, EE. UU.) en el rango de 190-3000 nm. La eficiencia de absorción de luz se calculó mediante la Ecuación A = 1-RT, donde R y T son las eficiencias de reflexión y transmisión del IENG, respectivamente. Las fotos infrarrojas del IENG fueron tomadas por una cámara infrarroja HT-18. El experimento de evaporación se realizó bajo un simulador solar de una lámpara de xenón CEL-SA500/350. La concentración de iones se probó usando un espectrómetro de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) y un instrumento cromatógrafo de iones (ICS-600). La generación de energía del IENG se midió con un electrómetro Keithley 6514 (EE. UU.).

El IENG se colocó en una cisterna experimental (30 °C, 40 % HR, verano, en Harbin, China). Se colocó un dispositivo de evaporación de vapor solar en una balanza electrónica y se iluminó con un simulador solar para monitorear la cantidad de evaporación en tiempo real. El cambio de masa del agua de mar en el evaporador solar fue registrado transitoriamente por una balanza electrónica.

La medición de la generación de energía utilizó el dispositivo de evaporación de vapor solar para complementar la energía eólica y otros módulos para simular el entorno marino (21,4 °C, 15,8 % de HR, invierno, en Harbin, China). Antes de la prueba de rendimiento eléctrico, se construyó un sistema conductor estable dejando caer intermitentemente polianilina/etanol sobre la superficie. La prueba de corriente de cortocircuito se concentra en la profundidad del límite de la interfaz de la capa media superior, y la prueba de voltaje de circuito abierto se conecta a la superficie de la capa superior y aproximadamente a la altura media de la capa intermedia. Aquí, se seleccionaron electrodos de oro para probar el rendimiento de la electricidad (Fig. 16 complementaria). Las posiciones de prueba superior e inferior deben ajustarse dinámicamente la primera vez. El rendimiento de generación de energía del IENG se midió después de conectarlo a un electrómetro Keithley 6514 (EE. UU.) bajo diferentes intensidades de luz mediante un simulador solar.

Los datos que respaldan las gráficas dentro de este documento y otros hallazgos de este estudio se presentan en el artículo principal y los materiales complementarios. Se pueden solicitar datos adicionales relacionados con este documento a los autores correspondientes previa solicitud razonable.

Peterson, TC, Golubev, VS & Groisman, PY Evaporación perdiendo su fuerza. Naturaleza 377, 687–688 (1995).

Artículo ADS CAS Google Académico

Brutsaert, W. & Parlange, MB El ciclo hidrológico explica la paradoja de la evaporación. Naturaleza 396, 30–30 (1998).

Artículo ADS CAS Google Académico

Gao, M., Zhu, L., Peh, CK & Ho, GW Diseños de sistemas y materiales absorbentes solares para la vaporización de agua fototérmica hacia la producción de energía y agua limpia. Entorno Energético. ciencia 12, 841–864 (2020).

Artículo Google Académico

Xue, GB et al. Electricidad inducida por evaporación de agua con materiales de carbono nanoestructurados. Nat. Nanotecnología. 12, 317–321 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Yin, J., Zhou, JX, Fang, SM & Guo, WL Energía hidrovoltaica en camino. 4 julios, 1852–1855 (2020).

Artículo Google Académico

Tian, ​​J. et al. Rendimiento dependiente de la densidad de carga superficial de generadores autoalimentados flexibles basados ​​en hidróxido doble de capas de Ni-Al accionados por evaporación de agua natural. Nano Energía 70, 104502 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, S. et al. Efecto de la geometría sobre el voltaje inducido por la evaporación del agua en una película porosa de negro de carbón. ciencia Tecnología China. ciencia 64, 629–634 (2021).

Artículo ADS CAS Google Académico

Tao, P. et al. Evaporación interfacial impulsada por energía solar. Nat. Energía 3, 1031–1041 (2018).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Lu, Z. et al. Una relación unificada para la cinética de evaporación a números de Mach bajos. Nat. común 10, 1–8 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Zhao, F. et al. Materiales para la evaporación de agua con energía solar. Nat. Rev.Mater. 5, 388–401 (2020).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Sun, Z. et al. Un evaporador de desalinización solar de alta eficiencia compuesto de tallo de maíz, Mcnts y TiO2: transporte de humedad de agua capilar ultrarrápido y filtración multicapa de biotejido poroso. J.Mater. química A 8, 349–357 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Zhu, L. et al. Progreso reciente en la evaporación de agua interfacial impulsada por energía solar: diseños y aplicaciones avanzados. Nanoenergía 57, 507–518 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, Y. et al. Película de oro negro estructurada jerárquicamente con porosidad ultraalta para la generación de vapor solar. Adv. Mate. 21, 2200108 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Guo, Y. et al. Evaporadores de hidrogel híbridos derivados de biomasa para la purificación de agua solar rentable. Adv. Mate. 32, 1907061 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Guan, HS et al. Un material fototérmico derivado de biomasa residual con alta resistencia a la sal para una evaporación solar eficiente. Carbón, 188, 265–275 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Guo, YH et al. Hidrogeles y materiales derivados de hidrogel para la sostenibilidad energética y del agua. química Rev. 120, 7642–7707 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Liu, Q. et al. Conjuntos de micropilares inspirados en ranas arborícolas con nanopits en la superficie para mejorar la adhesión en condiciones húmedas. Aplicación ACS. Mate. Enterrar. 12, 19116–19122 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Ma, C. et al. Actuadores de hidrogel anisotrópico bioinspirados con comportamientos de fluorescencia de encendido/apagado conmutables y ajustables en color. Adv. Función Mate. 28, 1704568 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Liu, S. et al. Un nanogenerador integrado fotoeléctrico-electromecánico bioinspirado de alta eficiencia. Nat. común 11, 1–9 (2020).

Artículo ADS CAS Google Académico

Li, Q. et al. Ingeniería de estructura reversible de superficie anisotrópica bioinspirada para reconocimiento y transporte de gotas. Adv. ciencia 7, 2001650 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Le, X., Lu, W., Zhang, J. y Chen, T. Avances recientes en actuadores de hidrogel anisotrópico biomiméticos. ciencia Adv. 6, 1801584 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Han, ZW et al. Estructuras de atrapamiento de luz en las escamas de las alas de la mariposa trogonoptera brookiana. Nanoescala 4, 2879–2883 (2012).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Suter, S., Graf, R., Garcia, DM y Haussener, S. Optimización e implementación del atrapamiento de luz en fotoánodos mesoestructurados de película delgada. Aplicación ACS. Mate. Enterrar. 12, 5739–5749 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Han, Z. et al. Una ingeniosa réplica modelada a partir de la estructura que atrapa la luz en escamas de alas de mariposa. Nanoescala 5, 8500–8506 (2013).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Dong, T. et al. Estudio de microestructura cilíndrica antirreflectante de ojo de polilla biónica sobre sustrato de germanio. Acta Opt. Pecado. 36, 236–242 (2016).

Google Académico

Zhao, D. et al. Un gel dinámico con rendimientos y redes topológicas reversibles y ajustables. Asunto 2, 390–403 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Kim, KB & Kim, J. Fabricación y caracterización de películas de celulosa electroactivas regeneradas mediante el uso de líquido iónico de cloruro de 1-butil-3-metilimidazolio. J. Mec. Ing. ciencia 227, 2665–2670 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Zhao, S., Jensen, OM y Hasholt, MT Medición de la absorción de polímeros superabsorbentes en entornos cementosos. Mate. Estructura. 53, 11 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Chang, C. et al. Cosecha eficiente de energía solar térmica impulsada por evaporación asistida por calentamiento plasmónico interfacial. Aplicación ACS. Mate. Enterrar. 8, 23412–23418 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Kovalenko, MV et al. Perspectivas de la nanociencia con nanocristales. ACS Nano 9, 1012–1057 (2015).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Zhou, X. et al. Los hidrogeles como plataforma material emergente para la purificación solar del agua. Cuenta química Res. 52, 3244–3253 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Liu, K. et al. Potencial inducido en películas porosas de carbono a través de la absorción de vapor de agua. Angew. química En t. ed. 55, 8003–8007 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Zhou, X. et al. Captación de energía eléctrica a partir de la evaporación del agua a través de microcanales de madera natural. Aplicación ACS. Mate. Enterrar. 12, 11232–11239 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Yang, J. et al. Batería electrocinética de microcanales mediante fenómenos electrocinéticos y microfluídicos. J. Micromech. Microing. 13, 963 (2003).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kundan, Saha et al. Extracción de potencial de flujo electrocinético impulsado por evaporación de nanocanales V2O5 a través de fuentes secundarias. Aplicación ACS. Materia Energética. 4, 8410–8420 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Yin, J. et al. Generando electricidad moviendo una gota de líquido iónico a lo largo del grafeno. Nat. Nanotecnología. 9, 378–383 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Sun, J. et al. Generación de electricidad a partir de un generador flexible a base de hidróxido de doble capa de Ni-Al impulsado por la evaporación natural del agua. Nanoenergía 57, 269–278 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Ding, T. et al. Película de carbono poroso totalmente impresa para la generación de electricidad a partir del flujo de agua impulsado por la evaporación. Adv. Función Mate. 27, 1700551 (2007).

Artículo CAS Google Académico

Liu, K. et al. Nanogenerador termoeléctrico basado en el efecto electrocinético en película porosa de carbón. Adv. Función Mate. 8, 1702481 (2018).

Google Académico

Jia, L. et al. La modificación funcional de la superficie aumenta la producción de un nanogenerador de flujo de agua impulsado por la evaporación. Nanoenergía 58, 797–802 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Kortschot, RJ et al. Dependencia de la longitud de Debye de la dinámica anómala de las dobles capas iónicas en un condensador de placas paralelas. J. física. química C. 118, 11584–11592 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Kohonen, MM et al. Longitud de Debye en soluciones de electrolitos multivalentes. Langmuir 16, 5749–5753 (2000).

Artículo CAS Google Académico

Yin, J. et al. ¿Cosechar energía del flujo de agua sobre grafeno? Nano Lett. 12, 1736–1741 (2012).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, X. et al. Dinámica para generadores de electricidad basados ​​en gotas. NanoEnergía 80, 105558 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Van der Heyden, FHJ et al. Generación de energía por transporte de iones impulsado por presión en canales nanofluídicos. Nano Lett. 7, 1022–1025 (2007).

Artículo ADS PubMed CAS Google Scholar

Liu, A. et al. Generación directa de electricidad mediada por interacciones moleculares con materiales de carbono de baja dimensión: una perspectiva mecanicista. Adv. Materia Energética. 8, 1802212 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Zhou, X. et al. Hidratación controlada por topología de la red de polímeros en hidrogeles para el tratamiento de aguas residuales con energía solar. Adv. Mate. 32, 2007012 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Edición, F. Directrices para la calidad del agua potable. OMS Cron. 38, 104–108 (2011).

Google Académico

Hou, B. et al. Películas flexibles de óxido de grafeno/éster mixto de celulosa para generación de electricidad y desalinización solar. aplicación Termia. Ing. 163, 114322 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Xiao, P. et al. La exploración del flujo de agua confinada en la interfaz y la evaporación permite la integración solar-térmica-electro hacia agua limpia y recolección de electricidad a través de una estrategia de funcionalización asimétrica. Nanoenergía 68, 104385 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Li, L. et al. Generador de energía hidrovoltaica sostenible y flexible para electrónica de detección portátil. Nano Energía 72, 104663 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, G. et al. Recolección de energía ambiental a partir de la evaporación del agua sobre esponjas de óxido de grafeno independientes. Carbono 148, 1–8 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Dao, VD, Vu, VH y Choi, HS Nanogenerador inspirado en limnobium laevigatum durante todo el día autopropulsado mediante la evaporación del agua. J. Fuentes de alimentación 448, 227388 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Qin, Y. et al. Generación constante de electricidad en silicio nanoestructurado por flujo de agua impulsado por evaporación. Ángel química En t. ed. 59, 10619–10625 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Descargar referencias

Este trabajo cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (subvención n.° 51905085, 31925028, 52175266, 51975502), el proyecto financiado por la Fundación de Ciencias Postdoctorales de China (subvención n.° 2018M630330 y n.° 2019T120245) y el Consejo de Innovación en Ciencia y Tecnología de Shenzhen (SGDX20201103093) 00502 ).

Laboratorio Provincial Clave de Ingeniería de Equipos Inteligentes Forestales, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Forestal del Noreste, Harbin, 150000, República Popular de China

Zhuangzhi Sun, Chuanlong Han, Zhaoxin Li y Mingxing Jing

Laboratorio clave de ciencia y tecnología de materiales de base biológica, Ministerio de Educación, Universidad Forestal del Noreste, Harbin, 150000, República Popular de China

Zhuangzhi Sun y Haipeng Yu

Departamento de Ingeniería Mecánica y Biomédica, Universidad de la Ciudad de Hong Kong, Hong Kong, República Popular de China

Shouwei Gao y Zuankai Wang

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

ZS concibió la idea. ZL diseñó el experimento y analizó los datos, ZS, HY, MJ brindan apoyo financiero. HY y ZW proporcionaron soporte técnico para celulosa y experimentos. ZS, ZL, CH, SG escribieron y revisaron el artículo, y ZW, ZSHY realizaron la revisión final y la versión revisada de este artículo. Todos los autores discutieron los resultados y comentaron el manuscrito.

Correspondencia con Zhuangzhi Sun, Zhaoxin Li, Haipeng Yu o Zuankai Wang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Communications agradece a Ye Shi y a los otros revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Los informes de los revisores están disponibles.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Sun, Z., Han, C., Gao, S. et al. Lograr una generación de energía eficiente mediante el diseño de un evaporador interfacial bioinspirado y de múltiples capas. Nat Comun 13, 5077 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32820-0

Descargar cita

Recibido: 26 julio 2021

Aceptado: 18 de agosto de 2022

Publicado: 29 de agosto de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32820-0

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.