Erzielen einer effizienten Stromerzeugung durch bioinspiriertes und multifunktionales Design

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 5077 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Wasserverdunstung ist ein natürliches Phasenwechselphänomen, das jederzeit und überall auftritt. Es wurden enorme Anstrengungen unternommen, um Energie aus diesem allgegenwärtigen Prozess zu gewinnen, indem die Wechselwirkung zwischen Wasser und Materialien mit maßgeschneiderten strukturellen, chemischen und thermischen Eigenschaften genutzt wird. Hier entwickeln wir einen mehrschichtigen, durch Grenzflächenverdampfung angetriebenen Nanogenerator (IENG), der die Wechselwirkung weiter verstärkt, indem er eine zusätzliche bionische Lichteinfangstruktur für eine effiziente Licht-, Wärme- und Stromerzeugung auf der Oberseite und in der Mitte des Geräts einführt. Bemerkenswert ist, dass wir auch die untere Schicht rational gestalten, um ausreichend Wassertransport und -speicherung zu ermöglichen. Wir zeigen, dass der IENG unter optimalen Bedingungen eine spektakuläre Dauerleistung von bis zu 11,8 μW cm-2 liefert, mehr als 6,8-mal höher als der derzeit gemeldete Durchschnittswert. Wir hoffen, dass diese Arbeit eine neue bionische Strategie liefern kann, die mehrere natürliche Energiequellen für eine effektive Stromerzeugung nutzt.

Wasserverdunstung ist ein allgegenwärtiger physikalischer Prozess, der eine wesentliche Rolle im globalen Wasserkreislauf spielt1,2,3. Weniger offensichtlich ist, dass ein solches dynamisches Massen- und Wärmetransportphänomen auch mit einem enormen Energiefluss verbunden ist. Im Jahr 2017 wurde über die erste auf Verdunstung basierende Energiegewinnungsstrategie berichtet, mit der durch den Wasserfluss in Rußschichten kontinuierlich und beträchtlich Strom erzeugt werden kann4. In den letzten Jahren wurden umfangreiche Anstrengungen unternommen, um die Leistung der Geräte zu steigern5,6,7.

In jüngster Zeit werden Materialien mit strukturellen, chemischen und thermischen Eigenschaften intensiv erforscht, um die Effizienz der Energiegewinnung zu steigern. Unter diesen ist die lokale Temperaturerhöhungsstrategie die wichtigste, um die Geschwindigkeit der Grenzflächenverdunstung auf einer Wasseroberfläche zu bestimmen8,9. Die durch Sonnenwärme betriebene Grenzflächenverdunstung wurde als vielversprechende umweltfreundliche und nachhaltige Lösung für das drängende globale Problem der Wasserknappheit identifiziert, die das Licht direkt in Wärme zur Verdunstung umwandeln kann10,11,12,13. Mit einer eleganten Wahl von Materialien, Bedingungen und Strukturen kann die Verdunstungsrate unter 1 Sonne über 4 kg m−2 h−1 erreichen14,15,16. Die Lichtabsorptionseffizienz der Oberfläche ist der grundlegende Engpass, der eine weitere Steigerung der Verdunstungsleistung verhindert. Die gekoppelte bioinspirierte Strategie17,18,19,20,21 und das mehrschichtige Design gelten als wirksame Maßnahme zur Linderung dieses Dilemmas.

Hier haben wir einen einfachen und effizienten durch Grenzflächenverdampfung angetriebenen Nanogenerator (IENG) entwickelt, der eine Schichtfunktionalisierung erreicht und eine bionische Lichteinfangstruktur für die Erzeugung von Licht in Wärme und Elektrizität einführt. Die Unterseite besteht aus porösem ionischem Hydrogel zur Wasserversorgung, die mittlere Schicht besteht aus mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWNT) und MXene für eine höhere elektrische Leitfähigkeit, und die obere Nanofaserschicht besteht aus MWNT zur Wärme- und Stromerzeugung. Am wichtigsten ist, dass unser Design die lichteinfangende Struktur auf der Oberfläche eines Mottenauges nutzt, die nahezu keine Reflexion des Sonnenlichts aufweist und zu einer hohen Lichtabsorptionseffizienz von 96,7 % und einer hervorragenden Wasserverdunstungsrate von 2,78 kg m−2 h beiträgt −1 bei einer Lichtintensität von 1 Sonne. Darüber hinaus weist unser IENG aufgrund der hohen Verdampfungsrate unter den modifizierten Bedingungen eine Ausgangsleistungsdichte von 11,8 μW cm-2 auf, mehr als 6,8-mal höher als der derzeit gemeldete Durchschnittswert. Unser Gerät demonstriert ein neues Konzept für die Entwicklung von durch natürliche Grenzflächenverdunstung angetriebenen Stromerzeugungssystemen und stellt einen bahnbrechenden Versuch dar, Energie aus mehreren Quellen in externen Umgebungen zu gewinnen.

Abbildung 1a, b zeigen den Aufbau des IENG. Insgesamt ist unser IENG eine hierarchische Struktur mit drei Funktionsebenen. Die oberste Schicht ist mit Nanofasern bedeckt, aus denen MWNT besteht, und sorgt für die primären Licht-, Wärme- und Stromerzeugungseigenschaften. Die mittlere Schicht ist eine regelmäßige Anordnung mit einer sorgfältig entworfenen Größe, die das Mottenauge nachahmt und aus Perowskit vom Typ IH, MWNT, MXene und CsPbBr3 besteht. Diese bionische Lichteinfangstruktur (BL) diente als Zubehör zur Verstärkung der Lichtabsorption und der elektrischen Leistung. Die untere Schicht besteht aus ionischem Hydrogel (IH), das während der Verdunstung für eine stabile Wasserspeicherung/-versorgung sorgt.

a Schematische Darstellung des Aufbaus des IENG für einen All-in-One-Verdampfer zur gleichzeitigen Wasserverdampfung und Stromerzeugung. b Schematische Darstellung der Zusammensetzung eines hergestellten IENG. c Morphologische Merkmale des Mottenauges. d Oberflächenmikrostruktur der bionischen Mittelschicht. e REM-Querschnittsbild der obersten Schicht. f Zetapotential des IENG. g Elektrische Leitfähigkeit verschiedener Schichten. h Röntgenbeugungsmuster von CsPbBr3 bei unterschiedlichen Verdampfungszeiten. Die Fehlerbalken stellen Standardabweichungen dar.

Die BL-Struktur des IENG ist von den Augen der Bohnenschwärmer inspiriert, die aus sechseckigen Strukturen bestehen, die aus einer Reihe kegelförmiger Säulen bestehen (Ergänzende Abbildungen 1a, b und Abbildung 1c). Um eine solche Struktur nachzuahmen 22, 23, 24, verwenden wir eine einzigartige 3D-Vorlagenmethode mit hochpräziser Fähigkeit zur Parameteränderung und Potenzial für die Produktion in großem Maßstab (ergänzende Abbildung 2). Für andere Funktionsschichten stellen wir das IENG durch geschichtete Selbstorganisation her. Die spezifische Vorbereitungsmethode wird im folgenden Vorbereitungsprozess des IENG beschrieben.

Nach der Herstellung stellten wir fest, dass die Oberfläche der Mittelschicht eine periodische konkav-konvexe Struktur aufweist, die mehr Licht zur Wärmeerzeugung einfangen kann (Abb. 1d). Wir haben eine Teilverarbeitungsmethode zur Porenherstellung in einer solchen Schicht eingeführt. In dieser Struktur sind Mesoporen mit Durchmessern von ca. 20 nm gleichmäßig verteilt, um eine ausreichende Wasserversorgung während des Verdampfungsprozesses zu gewährleisten. Die oberste Schicht ist eine gitterartige poröse Struktur aus mikro-/nanoskaligen porösen Nanofasern (Abb. 1e) mit einer Dicke von 190 µm und einer Porosität von ca. 84,4 % (ergänzende Abb. 3a). MWNT und MXene werden in der oberen und mittleren Schicht des IENG hinzugefügt (Abb. 1g), um den Innenwiderstand zu verringern und die Leistungsabgabe zu erhöhen.

Grundsätzlich ist die Stromerzeugung des IENG ein Interaktionsprozess, der die Wahl der Hydrophilie, der Oberflächenladungsdichte und der Gerätehaltbarkeit beinhaltet. Um sein Potenzial als hervorragender Stromgenerator zu demonstrieren, haben wir getestet, dass die Oberfläche der oberen Schicht hydrophil ist (ergänzende Abbildung 3b) und das Zeta-Potenzial bis zu –27, 04 eV betragen soll (Abb. 1f). grundlegende Eigenschaft für die Stromerzeugung. Wir haben auch die Oberflächenladungsdichte dieses Geräts unter trockenen und nassen Bedingungen analysiert. Wenn die Schicht von trocken zu nass wechselt, steigt sie stark von einer winzigen negativen Ladung (–0,43 nC cm–2) auf –14,2 nC cm–2 an (ergänzende Abbildung 3c, d). Darüber hinaus untersuchten wir die Arbeitsstabilität von CsPbBr3-Perowskit in der Mittelschicht des IENG, indem wir das Gerät 7 Tage lang verdampfen ließen. Wie das XRD-Spektrum zeigt, zeigt ein deutlicher charakteristischer Peak nach dem Test eine hervorragende Stabilität (Abb. 1h).

Als nächstes testeten wir die Stromerzeugungseigenschaft unseres IENG bei einer Lichtintensität von 2 kW·m−2. Wie in Abb. 2a, b gezeigt, wird eine Leerlaufspannung von bis zu 432 mV cm-2 erreicht, was 9,82-mal höher ist als der angegebene Durchschnittswert (ergänzende Abb. 4), und ein Kurzschlussstrom beträgt 64,2 μA cm−2. Wir können auch den Schluss ziehen, dass die überlegene Leistung auf die MWNTs und die BL-Struktur zurückzuführen ist. Wenn dem IH MWNTs hinzugefügt werden, verbessern sich die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom erheblich. Darüber hinaus steigen bei Einführung der BL-Struktur die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom stark um fast das Dreifache an. In Übereinstimmung mit der Leistungsabgabe verbessert das Vorhandensein der mittleren und oberen Schicht die Wasserverdunstungsleistung des Geräts erheblich, die entsprechende Verdunstungsrate steigt von 1,848 auf 2,41 bzw. 2,78 kg m−2 h−1. Der berechnete Energieumwandlungswirkungsgrad unseres IENG beträgt 86,3 % und die Gesamtleistung ist höher als bei einigen vorhandenen Solarverdampfern (Abb. 2c, d, ergänzende Abb. 5a, b und Anmerkung 1, 2).

a Leerlaufspannung pro Flächeneinheit des IH, des IH mit MWNTs und des IENG. b Kurzschlussströme pro Flächeneinheit für das IH, das IH mit MWNTs und das IENG. c Wasserverdunstungsraten von Grundwasser und IENG mit verschiedenen Schichten in über 1 Stunde. d Energieumwandlungseffizienzen und Wasserverdunstungsraten von Grundwasser und IENG mit verschiedenen Schichten. Die Längen, Breiten und Höhen betrugen 10 mm, 10 mm bzw. 20 mm. Die Fehlerbalken stellen Standardabweichungen dar.

Der Wirkungsgrad der photothermischen Umwandlung ist der grundlegende Parameter für Grenzflächenverdampfer, der sich effektiv auf die Leistung der Stromerzeugung auswirkt. Unser IENG entspricht der bionischen Lichteinfangstruktur. Gemäß den unten angegebenen Gleichungen gilt:

Dabei ist n2 der Brechungsindex des Substrats, n1 der Brechungsindex von Luft, d der Durchmesser des Zylinders, f (x, y) eine einzelne periodische Funktion und * das Faltungssymbol. In unserem IENG beträgt der Brechungsindex der Mottenaugenstruktur n2 = 30 im langwelligen Infrarotband. Die Mikrostrukturperiode Λ beträgt 50 ± 0,1 µm, die Tiefe h beträgt 30 ± 0,5 µm und der Bodendurchmesser d beträgt 20 ± 0,1 µm. Das theoretische Reflexionsvermögen betrug für unser Gerät 3% (theoretisches Modell siehe ergänzende Abbildung 6a)25.

Wir haben die Lichtabsorption verschiedener Proben bei Wellenlängen zwischen 190 und 2500 nm gemessen (Abb. 3a). Die durchschnittliche Lichtabsorptionseffizienz der unteren Mittelschicht beträgt etwa 94,7 %. Die Zugabe von Perowskit vom Typ CsPbBr3 (ergänzende Abbildung 6b, c) und den porösen Nanofasern kann die Lichtabsorption weiter auf 96,8 % steigern, was den theoretischen Reflexionswerten von Mottenaugen (~ 97 %) nahekommt und höher ist als die anderer Typen von Solarverdampfern (Ergänzende Abbildung 6d). Eine solch hervorragende Lichtabsorptionseffizienz beruht auf der mehrfachen Reflexion und Absorption durch die Lichtabsorptionsmaterialien innerhalb der BL-Schicht (ergänzende Abbildung 7a). In Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Lichtspektralabsorption war die Oberflächentemperatur unseres IENG im Vergleich zu anderen Proben deutlich verbessert (Abb. 3b, d). Wir haben auch die Seitenoberflächentemperatur verschiedener Proben mit einer IR-Kamera analysiert. Die Temperatur zeigt nach einstündiger Bestrahlung eine Gradientenverteilung von der Oberfläche bis zum Boden unseres IENG (Abb. 3c). Es beweist die herausragende Fähigkeit unseres IENG, die Wärme an der Oberfläche zu lokalisieren. Die zeitabhängige Variation der Seitenoberflächentemperatur in unterschiedlichen Tiefen für verschiedene Proben wurde in Abb. 3e aufgezeichnet. Es zeigte sich, dass die seitliche Oberflächentemperatur unseres IENG deutlich höher ist als die der unteren Mittelschicht in derselben Tiefe, was die perfekte Fähigkeit unseres IENG zur Umwandlung von Licht in Wärme weiter bestätigt.

a Lichtabsorptionsspektren der IENGs im Wellenlängenbereich von 190–2500 nm. b Oberflächentemperaturkurven der IENGs bei einer Sonnenlichtintensität von 1,0 kW·m−2. c Bilder der seitlichen Oberflächentemperatur des IENG, aufgenommen mit einer IR-Kamera. d IR-Wärmebildaufnahme der IENG-Verdampfungsschnittstelle. e Zeitabhängige seitliche Oberflächentemperaturschwankung in unterschiedlichen Tiefen für die IENG und die untere Mittelschicht.

Auch die Wasserversorgungsfähigkeit ist ein kritischer Engpass für die Verdunstung. In der unteren Mittelschicht unseres IENG können die porösen Zellulose-/Ionenflüssigkeitskomponenten als riesiges Reservoir und leistungsstarke Pumpe fungieren26,27. Wir haben das Verhältnis des gesättigten Wassergehalts verschiedener Schichten berechnet, um die Wasseraufnahmekapazität zu bewerten28,29,30. Diese Ergebnisse zeigten, dass das höchste Wassergehaltsverhältnis für die untere Mittelschicht etwa 82 % betrug (ergänzende Abbildung 7b), was die Wasserversorgung während der Verdunstung gewährleistete.

Darüber hinaus haben wir die Verdampfungsenthalpie unseres Geräts getestet, die im Vergleich zu reinem Wasser einen starken Rückgang zeigte (ergänzende Abbildung 8). Das liegt daran, dass das Hydrogel-Gerüst in unserem IENG die Wasserstoffbrückenbindungsnetzstruktur zwischen Wassermolekülen stört, wodurch reichlich Zwischenwasser (IW) entsteht, das bei der Verdunstung weniger Energie verbraucht, wodurch die Gesamtwasserverdunstungsrate erhöht wird31,32.

Die Meeresumwelt verändert sich ständig. Daher haben wir die Stromerzeugung unseres Geräts unter verschiedenen Bedingungen analysiert, darunter Strahlungsstärke, Ionenkonzentration und Windgeschwindigkeit. Zunächst untersuchten wir die Stromerzeugungsleistung des IENG bei wechselnder Lichtintensität. Durch die Erhöhung der externen Lichtintensität von 0 auf 2 kW·m−2 erhöht sich die Leerlaufspannung des IENG von 0,09 auf 0,42 V (Abb. 4a) und der Kurzschlussstrom von 12,5 auf 122,3 μA (Abb . 4b) wird die maximale Leistungsdichte auf 5,1 μW·cm−2 getestet (Abb. 4c). Gleichzeitig wird mit der Verbesserung der Lichtintensität auch die Wasserverdunstungsrate des IENG verbessert (ergänzende Abbildung 9a – c). Außerdem haben wir festgestellt, dass die Leerlaufspannung, der Kurzschlussstrom und die Leistungsdichte einen einfachen exponentiellen Zusammenhang mit den Lichtintensitäten aufweisen (ergänzende Abbildung 9d – i). Um den Zusammenhang zwischen der Wasserverdampfungsrate und der Leistungsabgabe herauszufinden, haben wir eine lineare Anpassung zwischen ihnen durchgeführt. Wie in der ergänzenden Abbildung 9j – l gezeigt, stieg die Stromerzeugung des IENG exponentiell mit der Wasserverdunstungsrate, was mit den theoretischen Formeln in der ergänzenden Anmerkung 3 und Anmerkung 432,33 übereinstimmt.

Wechselstrom-Stromerzeugungsleistung der IENGs bei unterschiedlichen Lichtintensitäten. d–f Stromerzeugungsleistung der IENGs in verschiedenen Flüssigkeiten. g–i Stromerzeugungsleistung der IENGs bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten. Die Längen, Breiten und Höhen betrugen jeweils 20 mm, 20 mm und 20 mm. Die Fehlerbalken stellen Standardabweichungen dar.

Anschließend untersuchten wir die Stromerzeugungsleistung des IENG in einer Umgebung aus entionisiertem Wasser, Leitungswasser, Meerwasser und verschiedenen Konzentrationen einer NaCl-Lösung mit einer Lichtintensität von 2 kW·m−2. Wir haben herausgefunden, dass der Trend zur Änderung der Leerlaufspannung zwei Prozesse aufweist. Sie steigt zunächst von 0,42 für DI-Wasser auf 0,493 V für Meerwasser und sinkt dann auf 0,434 V, wenn die Ionenkonzentration weiter auf 1 mol L−1 erhöht wird (Abb. 4d). Dies liegt daran, dass beim ersten Prozess eine zunehmende Ionenkonzentration dazu führt, dass mehr Kationen gleichzeitig fließen, wodurch sich die Leerlaufspannung erhöht. Eine zu hohe Ionenkonzentration würde jedoch zu einer schnellen Salzausfällung während des Verdampfungsprozesses führen, wodurch die inneren Poren für die Verdampfung blockiert und die Spannungsabgabe verringert würden. Gleichzeitig schirmen die zunehmenden Ionen schnell die Oberflächenladung der IENG-Nanokanäle ab, wodurch die kationenpermselektive Fähigkeit des IENG abnimmt, was ebenfalls zu einer Verschlechterung der Spannungsausgabe führt34,35. Der Kurzschlussstrom nimmt jedoch kontinuierlich von 122,3 μA auf 113,1 μA und 103,2 μA ab (Abb. 4e). Dies liegt daran, dass durch den Prozess der Salzausfällung der Innenwiderstand des IENG zunimmt, sodass der Kurzschlussstrom des IENG mit zunehmender Ionenkonzentration kontinuierlich abnimmt. Es ist zu beachten, dass der Einfluss des osmotischen Drucks, der durch eine hohe Ionenkonzentration auf die Stromerzeugung verursacht wird, hier ignoriert wird (ergänzende Abbildung 10a, b). Unter Lastwiderstand erreichte die maximale Leistungsdichte unseres IENG 5,9 μW·cm-2 (Abb. 4f) für Tests im Meerwasser, was eine praktische Anwendung ermöglichte (Ergänzende Abbildungen 11 und 12).

Da die Windgeschwindigkeit die Verdunstung stark beeinflusst, haben wir auch die Stromerzeugungsleistung des IENG in Umgebungen mit Windgeschwindigkeiten von 0, 1, 2 und 3 m s−1 untersucht, die in Meerwasser mit einer Lichtintensität von 2 kW·m−2 getestet wurden. Abbildung 4g, h zeigte, dass mit zunehmender Windgeschwindigkeit von 0 auf 1 m·s−1 die Leerlaufspannung des IENG von 0,493 auf 0,543 V anstieg und der Kurzschlussstrom von 113,1 auf 121,4 μA anstieg. Unter Lastwiderstand erreichte seine maximale Leistungsdichte 6,3 μW·cm−2 (Abb. 4i). Wenn die Windgeschwindigkeit jedoch weiter über 1 m·s−1 ansteigt, beginnt die Stromerzeugungsleistung des IENG zu sinken. Denn wenn die Windgeschwindigkeit weniger als 1 m·s−1 beträgt, begünstigt die zunehmende Windgeschwindigkeit die Wasserverdunstung und verbessert so die Gesamtstromerzeugungsleistung des IENG4,36. Wenn die Windgeschwindigkeit jedoch zu hoch ist, dominiert die Seitenwandverdunstung, was die Wechselwirkung zwischen dem Kation und den hauptsächlich auf der Oberseite vergrabenen MWNTs schwächt37.

Diese Ergebnisse zeigten, dass unser IENG die Stromerzeugungsleistung im Meerwasser mit einer Lichtintensität von 2 kW·m−2 und einer Windgeschwindigkeit von 1 m·s−1 optimiert hat. Es hatte eine maximale Leerlaufspannung von 0,543 V, einen maximalen Kurzschlussstrom von 121,4 μA und eine Ausgangsleistung von 25,4 μW·bei einer externen Last von 7460 Ω.

Das Funktionsprinzip des IENG lässt sich auf zwei Prozesse zurückführen: (a) Umwandlung von Sonnenenergie in kinetische Energie von Wassermolekülen und (b) Umwandlung von kinetischer Energie von Wassermolekülen in Elektrizität.

Im ersteren Prozess steigerte das von der Natur inspirierte Design der Augenoberfläche der Motte die Effizienz der Licht-Wärme-Umwandlung erheblich und erhöhte die Wasserverdunstungsrate an der mittleren oberen Grenzfläche unter dem Sonnenlicht. Durch die Wasserverdunstung (Qeva) kann eine enorme Transpirationssogkraft erzeugt werden. Gleichzeitig steigt auch die Ionenkonzentration an der Fest-Flüssigkeits-Oberfläche, was zu einer ständig wachsenden Osmosekraft (Qosm) beiträgt. Diese beiden Kräfte in die gleiche Richtung wirken zusammen, um das Wasser schnell durch die Poren im Hydrogel und die Lücken zwischen den MWNTs zu ziehen (Abb. 5a (i)).

a Prinzip der Stromerzeugung für den IENG durch Wasserverdunstung: (i) Schematische Darstellung des Wasserflusswegs und der Verdunstung im IENG, (ii) Die linke Seite stellt ein schematisches Diagramm der Anfangsphase dar, das die spezifische Ionenverteilung innerhalb des Kanals darstellt. Und rechts ist das schematische Diagramm des stationären Zustands, das den Ionentransport in der überlappenden elektrischen Doppelschicht darstellt. b Wasserverdunstungsrate des IENG in einer simulierten Meeresumgebung. Die normale Umgebung hatte eine Lichtintensität von 1,0 kW·m−2, keinen Wind und entionisiertes Wasser, und die optimierte Umgebung hatte eine Lichtintensität von 2,0 kW·m−2, eine Windgeschwindigkeit von 1 m s−1 und Meerwasser. c Ausgangsleistungsdichte des IENG gemessen unter verschiedenen Lastwiderständen. d Vergleich der vom IENG und anderen solarbetriebenen IENGs erzeugten Leistungsdichte. e Foto eines entwickelten autarken Arbeitssystems. Die Fehlerbalken stellen Standardabweichungen dar.

Letzterer Prozess kann durch den hydrovoltaischen Effekt erklärt werden (Abb. 5a (ii)). Insbesondere wurden bei Kontakt mit Wasser die sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen auf der Oberfläche der MWNTs, wie z. B. Carboxyl- und Hydroxylgruppen, hydrolysiert. Dadurch entsteht eine negativ geladene elektrische Schicht40. Dann werden Kationen (H3O+, Na+ usw.) im Wasser durch die Coulomb-Kraft von dieser negativen elektrischen Schicht auf der Oberfläche der MWNTs angezogen und so entsteht eine elektrische Doppelschicht. Aufgrund der extrem engen Lücke zwischen den MWNTs überlappen sich die Debye-Schichten in der elektrischen Doppelschicht, wobei nur Kationen dominieren41,42. Wenn daher Verdunstung an der Oberfläche stattfindet, fließt Wasser in den Lücken zwischen den MWNTs und zieht das H3O+ in die Richtung des Wasserflusses43,44. Dies führte zu einem hohen Konzentrationsunterschied zwischen den beiden Enden der Wasserströme, was zu einem Strömungspotential und einem schwankenden Coulomb-Feld führte45. Nach der Verbindung trieb die Kopplung von Phononenwind und einem schwankenden Coulomb-Feld den Elektronentransfer voran, um einen Gleichstrom zu erzeugen46.

Die Wasserverdunstungsrate unseres IENG erreicht 4,385 kg m-2 h-1 bei einer Lichteinstrahlung von 2,0 kW·m-2 und einer Windgeschwindigkeit von 1 m s-1 (Abb. 5b). Die Süßwasserqualität entsprach den WHO-Standards für menschliches Trinkwasser (ergänzende Abbildung 13a)47,48. Darüber hinaus kann unser IENG in der tatsächlichen Umgebung eine gute Leistung erbringen und seine Praktikabilität unter Beweis stellen (ergänzende Abbildung 14). Wenn der Lastwiderstand 5793 Ω erreicht, erreicht die belastete Ausgangsleistung ein Maximum von 11,8 μW cm-2 (Abb. 5c und ergänzende Abb. 13b), mehr als 6,8-mal höher als der aktuell gemeldete Durchschnittswert33,37,38,49, 50,51,52,53,54 (Abb. 5d).

Wir haben auch eine statistische Analyse durchgeführt. Mit einer Süßwasserproduktion von 2,19 kg h-1 m-3 und einer Stromerzeugung von 10 W hm-3 kostet unser IENG-Gerät nur etwa 800 RMB m-2 und zeigt sein Potenzial in Bezug auf Realitätsnähe und Skalierbarkeit. Darüber hinaus haben wir ein integriertes elektronisches System mit eigener Stromversorgung entwickelt. Wie in Abb. 5e dargestellt, kann ein Niederspannungsgerät kontinuierlich nur mit Solar- und Windenergieeinspeisung betrieben werden, was die Möglichkeit zur Entwicklung von Offshore-Stromerzeugungsplattformen und Süßwasserversorgungsgeräten darstellt (Arbeitssystemschaltung in ergänzender Abb. 15a, b).

Zusammenfassend haben wir ein effizientes, mehrschichtiges, durch Grenzflächenverdunstung angetriebenes Stromerzeugungssystem demonstriert, das die natürliche Struktur der Augenoberfläche der Motte nachahmt. Zu den Vorteilen dieses Geräts gehören die hervorragende Fähigkeit zur Feuchtigkeitsspeicherung/-versorgung, die hervorragende Eigenschaft der Solarwärmeumwandlung und die bemerkenswerte elektrische Leitfähigkeit, die es ihm ermöglichen, die minderwertige Umgebungswärme effizient für die Frischwassergewinnung und Stromerzeugung zu nutzen. Unter den modifizierten Bedingungen erzielt unser Gerät eine hervorragende Süßwasserproduktion von 2,78 kg m-2 h-1 mit einer Lichtintensität von 1,0 kW·m-2 und einer elektrischen Ausgangsleistungsdichte von 11,8 μW cm-2, was mehr als dem 6,8-fachen entspricht größer als die durchschnittlichen Geräte. Der synergistische Effekt aus verbesserter Verdunstung und hydrovoltaischem Effekt trägt zu dieser guten Leistung bei. Daher demonstriert diese Arbeit einen nachhaltigen Ansatz zur Stromerzeugung durch Grenzflächenverdunstung und bietet eine Grundlage für die Nutzung mehrerer natürlicher Energiequellen. Es kann künftig dazu dienen, Offshore-Stromerzeugungsplattformen und Süßwasserversorgungsanlagen zu entwickeln.

Die im Experiment verwendete ionische Flüssigkeit aus 1-n-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid (BMIMCl) wurde vom Lanzhou Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften erworben. Polyethylenglykol (PEG, Molekulargewicht 100 MW) und Perowskit vom Typ CsPbBr3 wurden von Macleans Co., Ltd, China, bezogen. α-Cellulose (90 μm Partikelgröße), Ethylcellulose und Chitosan (Cs) wurden von Aladdin Co., Ltd, China bezogen. Essigsäure (Reinheit 60 %), Ethanol und Polyanilin wurden von Yongchang Reagent Co., Ltd, China bezogen. MWNTs (Durchmesser 15 nm, Ionenkonzentration 10 Gew.-%) und MXene (Molekulargewicht 194,6) wurden von Turing Technology Co., Ltd, China, bezogen.

Zunächst wurde Cellulose unter Wasserbadbedingungen in BMIMCl gelöst. MWNTs wurden der Mischung nacheinander zugesetzt und gleichmäßig gerührt. 2/3 des Volumens der Mischung wurden direkt in eine spezielle Form aus Polymilchsäure gegossen, und 1/3 des Volumens der Mischung wurde durch Zugabe von MXene/CsPbBr3 und gleichmäßigem Mischen in die Oberseite dieser Form gegossen. Nach der Phasentrennung wurde die Mischung platziert und abgekühlt, deren obere Oberfläche die entworfene bionische Lichteinfangstruktur aufweist. Es wird ein mesoporöses IH mit bionischer lichteinfangender Oberfläche (die untere Mittelschicht) hergestellt. Anschließend wird eine Essigsäurelösung erhalten, die sich mit Cs-, PEG- und MWNTs-Dispersionen löst, um eine Vorläuferlösung für das Elektrospinnen herzustellen. Die Vorläuferlösung wurde gerührt und in eine elektrostatische JDF05-Spinnmaschine mit einer Spannung von 20 kV und einer Druckgeschwindigkeit von 0,1 mm s−1 eingespritzt. Es wurde durch ein Selbstorganisationsverfahren auf die Oberfläche der bionischen Lichtfangschicht gesprüht, um die oberste Schicht aufzubauen. Nach dem Trocknen entstand das IENG mit der natürlichen Oberflächenstruktur des Mottenauges.

Die strukturellen Eigenschaften des IENG wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop mit einer Beschleunigungsspannung von 5 kV (JSN-7500F, Japan) beobachtet. Die optische Durchlässigkeit und das Reflexionsspektrum des IENG wurden mit einem Ultraviolett-sichtbaren Spektrophotometer (Lambda 950, USA) im Bereich von 190–3000 nm gemessen. Die Lichtabsorptionseffizienz wurde durch die Gleichung A = 1-RT berechnet, wobei R und T die Reflexions- bzw. Transmissionseffizienzen des IENG sind. Infrarotfotos des IENG wurden mit einer HT-18-Infrarotkamera aufgenommen. Das Verdampfungsexperiment wurde unter einem Sonnensimulator einer CEL-SA500/350 Xenonlampe durchgeführt. Die Ionenkonzentration wurde mit einem induktiv gekoppelten Plasmaspektrometer (ICP-OES) und einem Ionenchromatographen (ICS-600) getestet. Die Stromerzeugung des IENG wurde mit einem Elektrometer Keithley 6514 (USA) gemessen.

Der IENG wurde in einer Versuchszisterne platziert (30 °C, 40 % relative Luftfeuchtigkeit, Sommer, in Harbin, China). Ein Solardampfverdampfungsgerät wurde auf eine elektronische Waage gestellt und von einem Sonnensimulator beleuchtet, um die Verdampfungsmenge in Echtzeit zu überwachen. Die Massenänderung des Meerwassers im Solarverdampfer wurde transient durch eine elektronische Waage aufgezeichnet.

Bei der Stromerzeugungsmessung wurden das Solardampfverdampfungsgerät als Ergänzung zur Windenergie und andere Module zur Simulation der Meeresumwelt (21,4 °C, 15,8 % relative Luftfeuchtigkeit, Winter, in Harbin, China) verwendet. Vor dem elektrischen Leistungstest wurde ein stabiles leitfähiges System durch intermittierendes Auftropfen von Polyanilin/Ethanol auf die Oberfläche aufgebaut. Der Kurzschlussstromtest konzentriert sich auf die Tiefe der Grenze der Schnittstelle zwischen mittlerer und oberer Schicht, und der Leerlaufspannungstest ist mit der Oberfläche der oberen Schicht und ungefähr der mittleren Höhe der mittleren Schicht verbunden. Hier wurden Goldelektroden ausgewählt, um die elektrische Leistung zu testen (ergänzende Abbildung 16). Die oberen und unteren Testpositionen müssen beim ersten Mal dynamisch angepasst werden. Die Stromerzeugungsleistung des IENG wurde nach Anschluss an ein Elektrometer Keithley 6514 (USA) bei verschiedenen Lichtintensitäten mit einem Sonnensimulator gemessen.

Die Daten, die die Darstellungen in diesem Artikel stützen, und andere Ergebnisse dieser Studie werden im Hauptartikel und in den ergänzenden Materialien vorgestellt. Weitere Daten zu diesem Artikel können auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren angefordert werden.

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Diese Arbeit wird von der National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51905085, 31925028, 52175266, 51975502), dem von der China Postdoctoral Science Foundation finanzierten Projekt (Grant No. 2018M630330 & No. 2019T120245) und dem Shenzhen Science and Technology Innovation Council (SGDX202011030930) unterstützt 0502 ).

Provinzschlüssellabor für intelligente Forsttechnik, Hochschule für Maschinenbau und Elektrotechnik, Northeast Forestry University, Harbin, 150000, Volksrepublik China

Zhuangzhi Sun, Chuanlong Han, Zhaoxin Li und Mingxing Jing

Schlüssellabor für biobasierte Materialwissenschaft und -technologie, Bildungsministerium, Northeast Forestry University, Harbin, 150000, Volksrepublik China

Zhuangzhi Sun & Haipeng Yu

Abteilung für Maschinenbau und Biomedizintechnik, City University of Hong Kong, Hongkong, Volksrepublik China

Shouwei Gao & Zuankai Wang

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ZS hatte die Idee. ZL hat das Experiment entworfen und die Daten analysiert, ZS, HY, MJ leisten finanzielle Unterstützung. HY und ZW leisteten technische Unterstützung für Zellulose und Experimente. ZS, ZL, CH, SG haben den Artikel geschrieben und überarbeitet, und ZW, ZSHY haben die endgültige Überprüfung und Überarbeitung dieses Artikels durchgeführt. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und kommentierten das Manuskript.

Korrespondenz mit Zhuangzhi Sun, Zhaoxin Li, Haipeng Yu oder Zuankai Wang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt Ye Shi und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sun, Z., Han, C., Gao, S. et al. Erreichen einer effizienten Stromerzeugung durch die Entwicklung eines bioinspirierten und mehrschichtigen Grenzflächenverdampfers. Nat Commun 13, 5077 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32820-0

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Eingegangen: 26. Juli 2021

Angenommen: 18. August 2022

Veröffentlicht: 29. August 2022

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

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