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Jun 02, 2023

Atteindre une production d'énergie efficace en concevant des produits bioinspirés et multi

Volume Communication Nature

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 5077 (2022) Citer cet article

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L'évaporation de l'eau est un phénomène naturel de changement de phase qui se produit à tout moment et partout. Des efforts considérables ont été déployés pour récolter l'énergie de ce processus omniprésent en tirant parti de l'interaction entre l'eau et les matériaux aux propriétés structurelles, chimiques et thermiques adaptées. Ici, nous développons un nanogénérateur interfacial multicouche piloté par évaporation (IENG) qui amplifie encore l'interaction en introduisant une structure bionique supplémentaire de piégeage de la lumière pour une génération efficace de lumière à chaleur et d'électricité en haut et au milieu de l'appareil. Notamment, nous concevons également rationnellement la couche inférieure pour un transport et un stockage suffisants de l'eau. Nous démontrons que l'IENG réalise une puissance de sortie continue spectaculaire aussi élevée que 11,8 μW cm-2 dans des conditions optimales, plus de 6,8 fois plus élevée que la valeur moyenne actuellement rapportée. Nous espérons que ce travail pourra fournir une nouvelle stratégie bionique utilisant plusieurs sources d'énergie naturelles pour une production d'énergie efficace.

L'évaporation de l'eau est un processus physique omniprésent qui joue un rôle essentiel dans le cycle global de l'eau1,2,3. Moins apparemment, un tel phénomène dynamique de transport de masse et de chaleur est également associé à un vaste flux d'énergie. La première stratégie de récupération d'énergie basée sur l'évaporation a été signalée en 2017, qui peut générer de l'électricité continue et considérable grâce au flux d'eau dans les feuilles de noir de carbone4. Au cours des dernières années, des efforts considérables ont été déployés pour améliorer les performances des appareils5,6,7.

Récemment, des matériaux aux propriétés structurelles, chimiques et thermiques ont été profondément étudiés pour améliorer l'efficacité de la récupération d'énergie. Parmi elles, la stratégie d'amélioration localisée de la température est la plus importante pour déterminer la vitesse d'évaporation interfaciale sur une surface d'eau8,9. L'évaporation interfaciale alimentée par la chaleur solaire a été identifiée comme une solution verte et durable prometteuse au problème mondial pressant de la pénurie d'eau qui peut transférer directement la lumière à la chaleur pour l'évaporation10,11,12,13. Avec un choix élégant de matériaux, de conditions et de structures, le taux d'évaporation peut atteindre plus de 4 kg m−2 h−1 sous 1 soleil14,15,16. L'efficacité d'absorption de la lumière de la surface est le goulot d'étranglement fondamental qui empêche une augmentation supplémentaire des performances d'évaporation. Stratégie couplée bioinspirée17,18,19,20,21, la conception multicouche est considérée comme une mesure efficace pour atténuer ce dilemme.

Ici, nous avons développé un nanogénérateur interfacial piloté par évaporation (IENG) simple et efficace qui a obtenu une fonctionnalisation en couches et introduit une structure bionique de piégeage de la lumière pour la génération de lumière à chaleur et d'électricité. Dans lequel le fond est constitué d'hydrogel ionique poreux pour l'approvisionnement en eau, la couche intermédiaire possède des nanotubes de carbone à parois multiples (MWNT), MXene pour une conductivité électrique plus élevée, et la couche supérieure de nanofibres compose MWNT pour la production de chaleur et d'électricité. Plus important encore, notre conception exploite la structure de piégeage de la lumière à la surface de l'œil d'un papillon de nuit qui ne reflète presque pas la lumière du soleil et contribue à une efficacité d'absorption de la lumière élevée de 96,7 % et à un excellent taux d'évaporation de l'eau de 2,78 kg m−2 h. −1 sous une intensité lumineuse de 1 soleil. De plus, résultant du taux d'évaporation élevé, notre IENG présente une densité de puissance de sortie de 11,8 μW cm−2 dans la condition modifiée, plus de 6,8 fois supérieure à la valeur moyenne actuellement rapportée. Notre dispositif démontre un nouveau concept pour développer des systèmes de production d'énergie basés sur l'évaporation interfaciale naturelle et agit comme une tentative révolutionnaire d'obtenir de l'énergie récoltée à partir de plusieurs sources dans des environnements externes.

Les figures 1a, b montrent la conception de l'IENG. Dans l'ensemble, notre IENG est une structure hiérarchique possédant trois couches fonctionnelles. La couche supérieure est recouverte de nanofibres composant le MWNT, fournissant les principales propriétés de génération de lumière à chaleur et d'électricité. La couche intermédiaire est un réseau régulier avec une taille soigneusement conçue imitant l'œil de papillon et composée de pérovskite de type IH, MWNT, MXene et CsPbBr3. Cette structure bionique de piégeage de la lumière (BL) fonctionnait comme un accessoire pour renforcer l'absorption de la lumière et la production électrique. La couche inférieure comprend un hydrogel ionique (IH), qui est utilisé pour un stockage/approvisionnement en eau stable pendant l'évaporation.

a Schéma de principe de la structure de l'IENG pour un évaporateur tout-en-un vers l'évaporation simultanée de l'eau et la production d'électricité. b Schéma de principe de la composition d'un IENG fabriqué. c Caractéristiques morphologiques de l'œil du papillon. d Microstructure de surface de la couche médiane bionique. e Image SEM en coupe de la couche supérieure. f Potentiel Zeta de l'IENG. g Conductivité électrique des différentes couches. h Diagramme de diffraction des rayons X de CsPbBr3 sous différents temps d'évaporation. Les barres d'erreur représentent les écarts types.

La structure BL de l'IENG s'inspire des yeux de la sphinx du haricot, qui se composent de structures hexagonales formées par un réseau de piliers en forme de cône (Fig. 1a, b et Fig. 1c supplémentaires). Pour imiter une telle structure22,23,24, nous employons une méthode de modèle 3D unique avec une capacité de modification des paramètres très précise et un potentiel de production à grande échelle (Fig. 2 supplémentaire). Pour les autres couches fonctionnelles, nous fabriquons le IENG par auto-assemblage en couches. La méthode de préparation spécifique est décrite dans le processus de préparation de l'IENG ci-dessous.

Après fabrication, nous avons constaté que la surface de la couche intermédiaire présente une structure concave-convexe périodique qui peut piéger plus de lumière pour générer de la chaleur (Fig. 1d). Nous avons introduit une méthode de traitement partiel pour la fabrication de pores dans une telle couche. Des mésopores d'un diamètre d'environ 20 nm se trouvent dispersés uniformément dans cette structure pour garantir un approvisionnement en eau suffisant pendant le processus d'évaporation. La couche supérieure est une structure poreuse en forme de grille composée de nanofibres poreuses à l'échelle micro/nano (Fig. 1e) d'une épaisseur de 190 µm et d'une porosité d'environ 84,4 % (Fig. 3a supplémentaire). MWNT et MXene sont ajoutés dans les couches supérieure et intermédiaire de l'IENG (Fig. 1g) pour diminuer la résistance interne et augmenter la puissance de sortie.

Fondamentalement, la production d'électricité de l'IENG est un processus d'interaction impliquant le choix de l'hydrophilie, de la densité de charge de surface et de la durabilité du dispositif. Pour démontrer son potentiel en tant qu'excellent générateur électrique, nous avons testé que la surface de la couche supérieure est hydrophile (Fig. 3b supplémentaire) et que le potentiel zêta doit atteindre -27, 04 eV (Fig. 1f), qui est le propriété fondamentale pour la production d'électricité. Nous avons également analysé la densité de charge de surface de ce dispositif dans des conditions sèches et humides. Au fur et à mesure que la couche passe de sèche à humide, elle augmente fortement d'une charge négative minuscule (-0,43 nC cm-2) à -14,2 nC cm-2 (Fig. 3c, d supplémentaires). De plus, nous avons étudié la stabilité de fonctionnement de la pérovskite CsPbBr3 dans la couche intermédiaire de l'IENG en laissant l'appareil s'évaporer pendant 7 jours. Comme le montre le spectre XRD, un pic caractéristique clair après le test démontre une excellente stabilité (Fig. 1h).

Ensuite, nous avons testé la propriété de génération d'énergie de notre IENG sous une intensité lumineuse de 2 kW·m−2. Comme le montrent les Fig. 2a, b, une tension en circuit ouvert aussi élevée que 432 mV cm−2 est atteinte, ce qui est 9,82 fois plus élevée que la valeur moyenne rapportée (Fig. 4 supplémentaire), et un courant de court-circuit est de 64,2 µA cm−2. Nous pouvons également conclure que les performances supérieures proviennent des MWNT et de la structure BL. Lorsque des MWNT sont ajoutés à l'IH, la tension en circuit ouvert et le courant de court-circuit sont grandement améliorés. De plus, lorsque la structure BL est introduite, la tension et le courant de sortie augmentent fortement de près de 3 fois. Conformément à la puissance de sortie, la présence des couches médiane et supérieure améliore considérablement les performances d'évaporation de l'eau de l'appareil, le taux d'évaporation correspondant passe de 1,848 à 2,41 et 2,78 kg m−2 h−1, respectivement. L'efficacité de conversion d'énergie calculée de notre IENG est de 86,3 % et la performance globale est supérieure à celle de certains évaporateurs solaires existants (Fig. 2c, d, Supplémentaire Fig. 5a, b et Note 1, 2).

a Tension à vide par unité de surface de l'IH, de l'IH avec MWNT et de l'IENG. b Courants de court-circuit par unité de surface pour l'IH, l'IH avec MWNT et l'IENG. c Taux d'évaporation de l'eau en vrac et de l'IENG avec différentes couches en plus de 1 h. d Efficacités de conversion d'énergie et taux d'évaporation de l'eau en vrac et de l'IENG avec différentes couches. Les longueurs, largeurs et hauteurs étaient respectivement de 10 mm, 10 mm et 20 mm. Les barres d'erreur représentent les écarts types.

L'efficacité de conversion photothermique est le paramètre fondamental pour les évaporateurs intercalaires, ce qui affecte efficacement les performances de production d'énergie. Notre IENG est conforme à la structure bionique de piégeage de la lumière. D'après les équations données ci-dessous,

où n2 est l'indice de réfraction du substrat, n1 est l'indice de réfraction de l'air, d est le diamètre du cylindre, f (x, y) est une fonction périodique unique et * est le symbole de convolution. Dans notre IENG, l'indice de réfraction de la structure en œil de papillon est n2 = 30 dans la bande infrarouge à ondes longues. La période de microstructure Λ est de 50 ± 0,1 µm, la profondeur h est de 30 ± 0,5 µm et le diamètre du fond d est de 20 ± 0,1 µm. La réflectivité théorique était de 3 % pour notre appareil (pour le modèle théorique, voir la Fig. 6a supplémentaire)25.

Nous avons mesuré l'absorbance lumineuse de différents échantillons à des longueurs d'onde comprises entre 190 et 2500 nm (Fig. 3a). L'efficacité moyenne d'absorption de la lumière de la couche médiane inférieure est d'environ 94,7 %. L'ajout de pérovskite de type CsPbBr3 (Fig. 6b, c supplémentaires) et de nanofibres poreuses peut encore améliorer l'absorption de la lumière à 96,8%, ce qui se rapproche des valeurs de réflectance théoriques des yeux de papillon (~ 97%) et supérieures à celles des autres types d'évaporateurs solaires (Fig. 6d supplémentaire). Une telle excellente efficacité d'absorption de la lumière provient de la réflexion et de l'absorption multiples par les matériaux d'absorption de la lumière dans la couche BL (Fig. 7a supplémentaire). Conformément aux résultats d'absorption spectrale de la lumière, la température de surface de notre IENG a été considérablement améliorée par rapport aux autres échantillons (Fig. 3b, d). Nous avons également analysé la température de surface latérale de différents échantillons par caméra IR. La température montre une distribution en gradient de la surface vers le bas de notre IENG après irradiation pendant 1 h (Fig. 3c). Cela prouve la capacité exceptionnelle de notre IENG à localiser la chaleur à la surface. La variation de température de surface latérale en fonction du temps à différentes profondeurs pour différents échantillons a été enregistrée sur la figure 3e. Il a montré que la température de surface latérale de notre IENG est significativement plus élevée que celle de la couche intermédiaire inférieure à la même profondeur, confirmant davantage la parfaite capacité de conversion lumière-chaleur de notre IENG.

a Spectres d'absorption de la lumière des IENG dans la gamme de longueurs d'onde de 190 à 2500 nm. b Courbes de température de surface des IENG sous une intensité lumineuse solaire de 1,0 kW· m−2. c Images de température de surface latérale du IENG enregistrées via une caméra IR. d Imagerie thermique IR de l'interface d'évaporation IENG. e Variation de la température de la surface latérale en fonction du temps à différentes profondeurs pour l'IENG et la couche intermédiaire inférieure.

La capacité d'approvisionnement en eau est également un goulot d'étranglement critique pour l'évaporation. Dans la couche intermédiaire inférieure de notre IENG, les composants poreux de cellulose/liquide ionique peuvent fonctionner comme un énorme réservoir et une pompe puissante26,27. Nous avons calculé le taux de teneur en eau saturée des différentes couches pour évaluer la capacité d'absorption d'eau28,29,30. Ces résultats ont montré que le taux de teneur en eau le plus élevé était d'environ 82% pour la couche intermédiaire inférieure (Fig. 7b supplémentaire), garantissant l'approvisionnement en eau pendant l'évaporation.

De plus, nous avons testé l'enthalpie de vaporisation de notre appareil, qui a montré une forte diminution par rapport à l'eau pure (Fig. 8 supplémentaire). En effet, le cadre d'hydrogel de notre IENG perturbe la structure du réseau de liaisons hydrogène entre les molécules d'eau, donnant naissance à beaucoup d'eau intermédiaire (IW) qui consomme moins d'énergie lors de l'évaporation, augmentant ainsi le taux global d'évaporation de l'eau31,32.

Le milieu marin varie tout le temps. Par conséquent, nous avons analysé la production d'énergie de notre appareil dans différentes conditions, y compris la force d'irradiation, la concentration en ions et la vitesse du vent. Tout d'abord, nous avons exploré les performances de production d'énergie de l'IENG avec une intensité lumineuse changeante. En augmentant l'intensité lumineuse externe de 0 à 2 kW·m−2, la tension en circuit ouvert du IENG passe de 0,09 à 0,42 V (Fig. 4a), et le courant de court-circuit passe de 12,5 à 122,3 μA (Fig. .4b), la densité de puissance maximale est testée à 5,1 μW.cm-2 (Fig. 4c). Dans le même temps, le taux d'évaporation de l'eau de l'IENG est également amélioré avec l'amélioration de l'intensité lumineuse (Fig. Supplémentaire 9a – c). En outre, nous avons également constaté que la tension en circuit ouvert, le courant de court-circuit et la densité de puissance présentent une relation exponentielle simple avec les intensités lumineuses (Fig. 9d – i supplémentaires). Pour comprendre la relation entre le taux d'évaporation de l'eau et la puissance de sortie, nous avons effectué un ajustement linéaire entre eux. Comme le montre la Fig. 9j – l supplémentaire, la production d'énergie de l'IENG a augmenté de façon exponentielle avec le taux d'évaporation de l'eau, ce qui est conforme aux formules théoriques de la note supplémentaire 3 et de la note 432,33.

a–c Performances de production d'énergie des IENG sous différentes intensités lumineuses. d–f Performances de production d'électricité des IENG dans différents liquides. g–i Performances de production d'électricité des IENG sous différentes vitesses de vent. Les longueurs, largeurs et hauteurs étaient respectivement de 20 mm, 20 mm et 20 mm. Les barres d'erreur représentent les écarts types.

Ensuite, nous avons exploré les performances de production d'énergie de l'IENG dans un environnement d'eau DI, d'eau du robinet, d'eau de mer et de différentes concentrations de solution de NaCl avec une intensité lumineuse de 2 kW·m−2. Nous avons constaté que la tendance à la variation de la tension en circuit ouvert possède deux processus. Il augmente d'abord de 0,42 pour l'eau DI à 0,493 V pour l'eau de mer, puis diminue à 0,434 V en augmentant encore la concentration en ions à 1 mol L−1 (Fig. 4d). En effet, pour le premier processus, l'augmentation de la concentration en ions signifie que davantage de cations circulent simultanément, augmentant ainsi la tension en circuit ouvert. Cependant, une concentration excessive d'ions entraînerait une précipitation rapide du sel pendant le processus d'évaporation, bloquant les pores internes pour l'évaporation et diminuant la tension de sortie. Dans le même temps, les ions croissants protègent rapidement la charge de surface des nanocanaux IENG, diminuant la capacité de permsélectivité cationique de l'IENG, entraînant également une détérioration de la tension de sortie34,35. Cependant, le courant de court-circuit diminue continuellement de 122,3 μA à 113,1 μA et 103,2 μA (Fig. 4e). En effet, le processus de précipitation du sel provoque l'augmentation de la résistance interne de l'IENG, de sorte que le courant de court-circuit de l'IENG diminue continuellement avec l'augmentation de la concentration en ions. Il convient de noter que l'influence de la pression osmotique causée par une concentration élevée d'ions sur sa production d'énergie est ignorée ici (Fig. 10a, b supplémentaires). Sous résistance de charge, la densité de puissance maximale de notre IENG a atteint 5,9 μW·cm−2 (Fig. 4f) pour les tests en eau de mer, permettant une application pratique (Figs. 11 et 12 supplémentaires).

Étant donné que la vitesse du vent influence fortement l'évaporation, nous avons également exploré les performances de production d'électricité de l'IENG dans des environnements de vitesse du vent de 0, 1, 2 et 3 m s−1 testés dans l'eau de mer avec une intensité lumineuse de 2 kW·m−2. La figure 4g, h a montré que lorsque la vitesse du vent augmentait de 0 à 1 m·s−1, la tension en circuit ouvert de l'IENG augmentait de 0,493 à 0,543 V, et le courant de court-circuit augmentait de 113,1 à 121,4 μA. Sous résistance de charge, sa densité de puissance maximale atteint 6,3 μW·cm−2 (Fig. 4i). Cependant, lorsque la vitesse du vent augmente encore au-delà de 1 m·s−1, les performances de production d'énergie de l'IENG commencent à diminuer. En effet, lorsque la vitesse du vent est inférieure à 1 m·s−1, l'augmentation de la vitesse du vent profite à l'évaporation de l'eau, améliorant ainsi les performances globales de production d'électricité du IENG4,36. Cependant, lorsque la vitesse du vent est trop élevée, l'évaporation des parois latérales domine, affaiblissant l'interaction entre le cation et les MWNT enfouis principalement sur la surface supérieure37.

Ces résultats montrent que notre IENG a optimisé les performances de production d'électricité dans l'eau de mer avec une intensité lumineuse de 2 kW·m−2 et une vitesse de vent de 1 m·s−1. Il avait une tension maximale en circuit ouvert de 0,543 V, un courant de court-circuit maximal de 121,4 μA et une puissance de sortie de 25,4 μW · avec une charge externe de 7460 Ω.

Le principe de fonctionnement de l'IENG peut être tracé à partir de deux processus : (a) convertir l'énergie solaire en énergie cinétique des molécules d'eau et (b) convertir l'énergie cinétique des molécules d'eau en électricité.

Dans le premier processus, la conception de la surface de l'œil du papillon inspirée de la nature a considérablement renforcé l'efficacité de la conversion lumière-chaleur, augmentant le taux d'évaporation de l'eau à l'interface médiane supérieure sous la lumière du soleil. Une énorme force de traction de transpiration peut être générée lors de l'évaporation de l'eau (Qeva). Dans le même temps, la concentration en ions augmentera également à la surface solide-liquide, contribuant à une force d'osmose toujours croissante (Qosm). Ces deux forces dans la même direction coopèrent pour entraîner rapidement l'eau à travers les pores de l'hydrogel et les espaces entre les MWNT38,39 (Fig. 5a (i)).

a Principe de production d'énergie pour l'IENG induit par l'évaporation de l'eau : (i) Schéma de principe du chemin d'écoulement de l'eau et de l'évaporation dans l'IENG, (ii) La gauche représente le schéma de principe de l'étape initiale, qui décrit la distribution spécifique des ions dans le canal. Et la droite est le diagramme schématique de l'état stable, qui représente le transport des ions dans la double couche électrique qui se chevauche. b Taux d'évaporation de l'eau de l'IENG dans un environnement marin simulé. L'environnement normal avait une intensité lumineuse de 1,0 kW·m−2, pas de vent et d'eau déminéralisée, et l'environnement optimisé avait une intensité lumineuse de 2,0 kW·m−2, une vitesse de vent de 1 m s−1 et de l'eau de mer. c Densité de puissance de sortie du IENG mesurée sous différentes résistances de charge. d Comparaison de la densité de puissance générée par le IENG et d'autres IENG solaires. e Photographie d'un système de travail auto-alimenté développé. Les barres d'erreur représentent les écarts types.

Ce dernier processus peut s'expliquer par l'effet hydrovoltaïque (Fig. 5a (ii)). Plus précisément, lors du contact avec l'eau, les groupes fonctionnels contenant de l'oxygène à la surface des MWNT, tels que les groupes carboxyle et hydroxyle, ont été hydrolysés. Par conséquent, une couche électrique chargée négativement est formée40. Ensuite, les cations (H3O+, Na+, etc.) dans l'eau sont attirés par cette couche électrique négative à la surface des MWNT par la force de Coulomb, et ainsi une double couche électrique est formée. En raison de l'écart extrêmement étroit entre les MWNT, les couches de Debye dans la double couche électrique se chevauchent, où seuls les cations dominent41,42. Par conséquent, lorsque l'évaporation se produit à la surface, l'eau s'écoule dans les espaces entre les MWNT, entraînant le H3O+ dans la direction de l'écoulement de l'eau43,44. Cela a provoqué une forte différence de concentration entre les deux extrémités des écoulements d'eau, formant un potentiel d'écoulement et un champ coulombien fluctuant45. Après connexion, le couplage du vent de phonons et d'un champ de Coulomb fluctuant a entraîné un transfert d'électrons pour générer un courant continu46.

Le taux d'évaporation de l'eau de notre IENG atteint 4,385 kg m−2 h−1 avec une irradiation lumineuse de 2,0 kW·m−2 et une vitesse du vent de 1 m s−1 (Fig. 5b). La qualité de l'eau douce était conforme aux normes d'eau potable de l'OMS (Fig. 13a supplémentaire)47,48. En outre, notre IENG peut bien fonctionner dans l'environnement réel, prouvant sa praticabilité (Fig. 14 supplémentaire). Lorsque la résistance de charge atteint 5793 Ω, la puissance de sortie chargée atteint un maximum de 11,8 μW cm−2 (Fig. 5c et Fig. Supplémentaire 13b), plus de 6,8 fois supérieure à la valeur moyenne actuellement rapportée33,37,38,49, 50, 51, 52, 53, 54 (figure 5d).

Nous avons également fait une analyse statistique. Avec une production d'eau douce de 2,19 kg h−1 m−3 et une génération électrique de 10 W hm−3, notre appareil IENG ne coûte qu'environ 800 RMB m−2, ce qui montre son potentiel de réalisme et d'évolutivité. De plus, nous avons conçu un système électronique intégré auto-alimenté. Comme le montre la Fig. 5e, un dispositif basse tension peut fonctionner en continu avec uniquement un apport d'énergie solaire et éolienne, démontrant une opportunité de développer des plates-formes de production d'électricité offshore et des dispositifs d'alimentation en eau douce (circuit de système de travail dans les Fig. 15a, b supplémentaires).

En résumé, nous avons démontré un système efficace de production d'énergie interfaciale multicouche par évaporation imitant la structure naturelle de la surface de l'œil du papillon. Les avantages de cet appareil comprennent une excellente capacité de stockage/d'approvisionnement en humidité, une propriété exceptionnelle de conversion de la chaleur solaire et une conductivité électrique remarquable, ce qui lui permet d'utiliser efficacement la chaleur ambiante de faible qualité pour la collecte d'eau douce et la production d'électricité. Dans les conditions modifiées, notre appareil réalise une excellente production d'eau douce de 2,78 kg m−2 h−1 avec une intensité lumineuse de 1,0 kW·m−2 et une densité de puissance de sortie électrique de 11,8 μW cm−2, soit plus de 6,8 fois plus grand que les appareils moyens. L'effet synergique de l'évaporation accrue et de l'effet hydrovoltaïque contribue à une si bonne performance. Par conséquent, ce travail démontre une approche de production d'énergie basée sur l'évaporation interfaciale durable et fournit une base pour l'utilisation de plusieurs sources d'énergie naturelles. Il peut servir à développer des plates-formes de production d'électricité offshore et des dispositifs d'approvisionnement en eau douce à l'avenir.

Le liquide ionique de chlorure de 1-n-butyl-3-méthylimidazolium (BMIMCl) utilisé dans l'expérience a été acheté auprès de l'Institut de physique chimique de Lanzhou, Académie chinoise des sciences. Le polyéthylène glycol (PEG, poids moléculaire 100 MW) et la pérovskite de type CsPbBr3 ont été achetés auprès de Macleans Co., Ltd, Chine. L'α-cellulose (taille des particules de 90 μm), l'éthylcellulose et le chitosane (Cs) ont été obtenus auprès d'Aladdin Co., Ltd, Chine. L'acide acétique (pureté 60%), l'éthanol et la polyaniline ont été achetés auprès de Yongchang Reagent Co., Ltd, Chine. Les MWNT (diamètre 15 nm, concentration ionique 10 % en poids) et le MXene (poids moléculaire 194,6) ont été achetés auprès de Turing Technology Co., Ltd, Chine.

Tout d'abord, la cellulose a été dissoute dans du BMIMCl dans des conditions de bain d'eau. Les MWNT ont été ajoutés au mélange dans l'ordre et agités uniformément. Le volume 2/3 du mélange a été versé directement dans un moule spécial d'acide polylactique, et le volume 1/3 du mélange a été versé dans le haut de ce moule en ajoutant MXène/CsPbBr3 et en mélangeant uniformément. Après la séparation des phases, le mélange a été placé et refroidi, dont la surface supérieure a la structure de piégeage de la lumière bionique conçue. Un IH mésoporeux avec une surface bionique de piégeage de la lumière (la couche intermédiaire inférieure) est préparé. Ensuite, une solution d'acide acétique se dissolvant avec des dispersions de Cs, PEG et MWNT pour préparer une solution de précurseur est obtenue pour l'électrofilage. La solution de précurseur a été agitée et injectée dans une machine à filer électrostatique JDF05 avec une tension de 20 kV et une vitesse de pression de 0,1 mm s-1. Il a été pulvérisé sur la surface de la couche de piégeage de la lumière bionique par une méthode d'auto-assemblage pour construire la couche supérieure. Après séchage, le IENG avec la structure de surface naturelle de l'œil du papillon a été fabriqué.

Les caractéristiques structurelles de l'IENG ont été observées au microscope électronique à balayage avec une tension d'accélération de 5 kV (JSN-7500F, Japon). La transmission optique et le spectre de réflectance de l'IENG ont été mesurés avec un spectrophotomètre ultraviolet-visible (Lambda 950, USA) dans la plage de 190 à 3000 nm. L'efficacité d'absorption de la lumière a été calculée par l'équation A = 1-RT, où R et T sont respectivement les efficacités de réflexion et de transmission de l'IENG. Les photos infrarouges de l'IENG ont été prises par une caméra infrarouge HT-18. L'expérience d'évaporation a été réalisée sous un simulateur solaire d'une lampe au xénon CEL-SA500/350. La concentration ionique a été testée à l'aide d'un spectromètre à plasma à couplage inductif (ICP-OES) et d'un instrument de chromatographie ionique (ICS-600). La production d'énergie de l'IENG a été mesurée par un électromètre Keithley 6514 (USA).

L'IENG a été placé dans une citerne expérimentale (30 °C, 40 % HR, été, à Harbin, Chine). Un dispositif d'évaporation de vapeur solaire a été placé sur une balance électronique et éclairé par un simulateur solaire pour surveiller la quantité d'évaporation en temps réel. La variation de masse de l'eau de mer dans l'évaporateur solaire a été enregistrée de manière transitoire par une balance électronique.

La mesure de la production d'électricité a utilisé le dispositif d'évaporation de vapeur solaire pour compléter l'énergie éolienne et d'autres modules pour simuler l'environnement marin (21,4 °C, 15,8 % HR, hiver, à Harbin, Chine). Avant le test de performance électrique, un système conducteur stable a été construit en laissant tomber par intermittence de la polyaniline/éthanol sur la surface. Le test de courant de court-circuit est concentré sur la profondeur de la limite de l'interface intermédiaire-couche supérieure, et le test de tension en circuit ouvert est connecté à la surface de la couche supérieure et approximativement à la hauteur moyenne de la couche intermédiaire. Ici, des électrodes en or ont été sélectionnées pour tester les performances électriques (Fig. 16 supplémentaire). Les positions de test supérieure et inférieure doivent être ajustées dynamiquement la première fois. Les performances de production d'énergie de l'IENG ont été mesurées après avoir été connectés à un électromètre Keithley 6514 (USA) sous différentes intensités lumineuses par un simulateur solaire.

Les données à l'appui des graphiques de cet article et d'autres conclusions de cette étude sont présentées dans l'article principal et les documents supplémentaires. Des données supplémentaires liées à cet article peuvent être demandées aux auteurs correspondants sur demande raisonnable.

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Ce travail est soutenu par National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51905085, 31925028, 52175266, 51975502), China Postdoctoral Science Foundation Funded Project (Grant No. 2018M630330 & No. 2019T120245) et Shenzhen Science and Technology Innovation Council (SGDX2020110309300 502 ).

Province Key Laboratory of Forestry Intelligent Equipment Engineering, College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry University, Harbin, 150000, République populaire de Chine

Zhuangzhi Sun, Chuanlong Han, Zhaoxin Li et Mingxing Jing

Key Laboratory of Biobased Material Science & Technology, Ministry of Education, Northeast Forestry University, Harbin, 150000, République populaire de Chine

Zhuangzhi Sun et Haipeng Yu

Département de génie mécanique et biomédical, City University of Hong Kong, Hong Kong, République populaire de Chine

Shouwei Gao & Zuankai Wang

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ZS a conçu l'idée. ZL a conçu l'expérience et analysé les données, ZS, HY, MJ fournissent un soutien financier. HY et ZW ont fourni un soutien technique pour la cellulose et les expériences. ZS, ZL, CH, SG ont rédigé et révisé l'article, et ZW, ZSHY ont réalisé la version finale de révision et de révision de cet article. Tous les auteurs ont discuté des résultats et commenté le manuscrit.

Correspondance avec Zhuangzhi Sun, Zhaoxin Li, Haipeng Yu ou Zuankai Wang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature Communications remercie Ye Shi et les autres examinateurs anonymes pour leur contribution à l'examen par les pairs de ce travail. Les rapports des pairs examinateurs sont disponibles.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

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Réimpressions et autorisations

Sun, Z., Han, C., Gao, S. et al. Atteindre une production d'énergie efficace en concevant un évaporateur interfacial bio-inspiré et multicouche. Nat Commun 13, 5077 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32820-0

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Reçu : 26 juillet 2021

Accepté : 18 août 2022

Publié: 29 août 2022

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

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