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

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

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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 recolectar energía de este proceso ubicuo aprovechando la interacción entre el agua y 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 al introducir una estructura biónica adicional que atrapa la luz para una generación eficiente de luz para calentar y electricidad en la parte superior y media del dispositivo. Cabe destacar que también diseñamos racionalmente la capa inferior para un transporte y almacenamiento de agua suficiente. Demostramos que el IENG realiza una espectacular producción de potencia continua de hasta 11,8 μW cm-2 en condiciones óptimas, más de 6,8 veces mayor que el valor promedio reportado actualmente. Esperamos que este trabajo pueda proporcionar una nueva estrategia biónica utilizando múltiples fuentes de energía naturales para una generación de energía efectiva.

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

Recientemente, se están profundizando en materiales con propiedades estructurales, químicas y térmicas para mejorar la eficiencia de la recolección de energía. Entre ellas, la estrategia de aumento 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 apremiante problema global 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 impide un mayor aumento en el rendimiento de la evaporación. Junto con una estrategia bioinspirada17,18,19,20,21, el diseño de múltiples capas se considera una medida eficaz para aliviar este dilema.

Aquí, desarrollamos un nanogenerador interfacial impulsado por evaporación (IENG) simple y eficiente que logró una funcionalización en capas e introdujo una estructura biónica de captura de luz 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 paredes múltiples (MWNT), MXene para una mayor conductividad eléctrica, y la capa superior de nanofibras compone MWNT para generación de calor y electricidad. Lo más importante es que 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 de luz 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 reportado actualmente. Nuestro dispositivo demuestra un nuevo concepto para desarrollar sistemas de generación de energía impulsados por evaporación interfacial natural y actúa como un intento innovador de obtener energía recolectada de múltiples fuentes en entornos externos.

Las Figuras 1a, b muestran el diseño del IENG. En general, nuestra IENG es una estructura jerárquica que posee tres capas funcionales. La capa superior está cubierta por nanofibras que componen MWNT, que proporciona la luz primaria para las propiedades de generación de calor y electricidad. La capa intermedia es una matriz regular con un tamaño cuidadosamente diseñado que imita el ojo de una 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 producción eléctrica. La capa inferior comprende hidrogel iónico (IH), que se emplea como almacenamiento/suministro estable de agua durante la evaporación.

a Diagrama esquemático de la estructura del IENG para 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 media 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 en diferentes tiempos de evaporación. Las barras de error representan desviaciones estándar.

La estructura BL del IENG está inspirada en los ojos de la polilla halcón del 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 dicha estructura22,23,24, empleamos un método de plantilla 3D único con capacidad de modificación de parámetros de alta precisión y potencial para producción a gran escala (Figura complementaria 2). Para otras capas funcionales, fabricamos el IENG mediante autoensamblaje de 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 suficiente de agua durante el proceso de evaporación. La capa superior es una estructura porosa en forma de rejilla formada por nanofibras porosas a 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 e intermedia 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 involucra la elección de la hidrofilicidad, 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 (Figura complementaria 3b) y que el potencial zeta debe ser tan alto como −27.04 eV (Figura 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 (Figura complementaria 3c, d). Además, investigamos la estabilidad de trabajo de la perovskita CsPbBr3 en la capa media del IENG dejando el dispositivo evaporándose 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 las 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 mejoraron enormemente. 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 media 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 mayor que el de algunos evaporadores solares existentes (Fig. 2c, d, Fig. complementaria 5a, by Nota 1, 2).

a Tensión de circuito abierto por unidad de área del IH, del IH con MWNT y del IENG. b Corrientes de cortocircuito por unidad de área para el IH, el IH con MWNT y el IENG. c Tasas de evaporación del 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 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 biónica de captura de luz. 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 la polilla es n2 = 30 en la banda infrarroja de onda larga. El período de 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 figura complementaria 6a)25.

Medimos la absorbancia de luz de diferentes muestras en longitudes de onda entre 190 y 2500 nm (Fig. 3a). La eficiencia promedio de absorción de luz de la capa inferior-media es de aproximadamente 94,7%. La adición de perovskita tipo CsPbBr3 (Figuras complementarias 6b, c) y las nanofibras porosas puede mejorar aún más la absorción de luz al 96,8%, lo que se acerca a los valores de reflectancia teóricos de los ojos de las polillas (~97%) y es superior a los de otros tipos. de evaporadores solares (Figura complementaria 6d). Una eficiencia de absorción de luz tan excelente se origina en la reflexión y absorción múltiple por parte de los materiales de absorción de luz dentro de la capa BL (Figura complementaria 7a). De acuerdo con los resultados de absorción espectral de la 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 de infrarrojos. 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). Esto demuestra la excelente capacidad de nuestro IENG para localizar el calor en la superficie. En la Fig. 3e se registró la variación de la temperatura de la superficie lateral dependiente del tiempo a diferentes profundidades para diferentes muestras. Demostró 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 en calor de nuestro IENG.

a Espectros de absorción de luz de los IENG en el rango de longitud de onda de 190 a 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 la temperatura de la superficie lateral del IENG grabadas mediante una cámara de infrarrojos. 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 obstáculo crítico para la evaporación. En la capa media inferior de nuestro IENG, los componentes porosos de celulosa y líquido iónico pueden funcionar como un enorme depósito y una potente bomba26,27. Calculamos la proporción de contenido de agua saturada de diferentes capas para evaluar la capacidad de absorción de agua28,29,30. Estos resultados mostraron que la proporción 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 (Figura complementaria 8). Esto se debe a que la estructura de hidrogel en nuestro IENG altera 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, aumentando así la tasa general de evaporación del agua31,32.

El entorno 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 intensidad de luz cambiante. Al aumentar la intensidad de la luz externa de 0 a 2 kW·m−2, la tensión 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 (Figuras complementarias 9a-c). 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 (Figuras complementarias 9d-i). Para determinar 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 figura complementaria 9j-l, la generación de energía del IENG aumentó exponencialmente con la tasa de evaporación del agua, lo que está en línea con las fórmulas teóricas de 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 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 desionizada, agua del grifo, agua de mar y diferentes concentraciones de solución de NaCl con una intensidad de luz de 2 kW·m-2. Descubrimos que la tendencia de cambio de voltaje en 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 cuando se aumenta aún más la concentración de iones a 1 mol L-1 (Fig. 4d). Esto se debe a que, para el primer proceso, aumentar la concentración de iones significa que fluyen más cationes simultáneamente, lo que aumenta el voltaje del circuito abierto. Sin embargo, una concentración excesiva de iones 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 IENG, decayendo la capacidad selectiva de cationes del IENG, lo que también resulta en 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 provoca un aumento de 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 (Figuras complementarias 10a, b). Bajo resistencia de carga, la densidad de potencia máxima de nuestro IENG alcanzó 5,9 μW·cm-2 (Fig. 4f) para pruebas en agua de mar, lo que hace posible su aplicación práctica (Fig. 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 aumentó de 0,493 a 0,543 V y la corriente de cortocircuito aumentó de 113,1 a 121,4 μA. Bajo resistencia de carga, su densidad de potencia máxima alcanzó 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, mejorando 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, debilitando 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 en calor, aumentando la tasa de evaporación del agua en la interfaz superior media bajo la luz del sol. Se puede generar una enorme fuerza de transpiración como evaporación del agua (Qeva). Al mismo tiempo, la concentración de iones también aumentará en la superficie sólido-líquido, lo que contribuirá a una fuerza de ósmosis (Qosm) cada vez mayor. 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 representa la distribución de iones específica dentro del canal. Y a la derecha está 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 entorno 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 autopropulsado desarrollado. Las barras de error representan desviaciones estándar.

Este último proceso puede explicarse por el efecto hidrovoltaico (Fig. 5a (ii)). Específicamente, al entrar en contacto con agua, los grupos funcionales que contienen oxígeno en la superficie de los MWNT, como los grupos carboxilo e hidroxilo, se hidrolizaron. Por tanto, se forma una capa eléctrica cargada negativamente40. 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 la evaporación ocurre 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 alta 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 impulsó la transferencia de electrones para generar una corriente continua46.

La tasa de evaporación de agua de nuestro IENG alcanza 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 (Figura complementaria 14). 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. complementaria 13b), más de 6,8 veces mayor que el valor promedio reportado 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 en términos de realismo y escalabilidad. Además, diseñamos un sistema integrado electrónico autoalimentado. Como se muestra en la Fig. 5e, un dispositivo de bajo voltaje puede funcionar continuamente con solo entrada de energía solar y eólica, lo que demuestra una oportunidad para desarrollar plataformas de generación de energía marinas y dispositivos de suministro de agua dulce (circuito del sistema de trabajo en la Fig. 15a, b complementaria).

En resumen, hemos demostrado un sistema eficiente de generación de energía interfacial de múltiples capas impulsado por evaporación que imita la estructura natural de la superficie del ojo de la polilla. Las ventajas de este dispositivo incluyen una excelente capacidad de almacenamiento y suministro de humedad, una excelente propiedad de conversión de calor solar y una notable conductividad eléctrica, que le permite utilizar eficientemente el calor ambiental de baja calidad para la recolección de agua dulce y la generación de energía. En 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 contribuyen a un rendimiento tan bueno. Por lo tanto, este trabajo demuestra un enfoque sostenible de generación de energía impulsada por la evaporación interfacial y proporciona una base para utilizar múltiples fuentes de energía naturales. Puede servir para desarrollar plataformas marinas de generación de energía 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. Se adquirieron polietilenglicol (PEG, peso molecular 100 MW) y perovskita tipo CsPbBr3 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 (pureza del 60%), 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 agregaron MWNT a la mezcla en secuencia y se agitó 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 agregando MXene/CsPbBr3 y mezclando uniformemente. Después de la separación de fases, se colocó y enfrió la mezcla, cuya superficie superior tiene la estructura biónica de captura de luz diseñada. Se prepara un IH mesoporoso con una superficie biónica que atrapa la luz (la capa media inferior). Posteriormente, se obtiene una solución de ácido acético que se disuelve con dispersiones de Cs, PEG y MWNT para preparar la solución precursora para el electrohilado. La solución precursora se agitó y se inyectó en una máquina de hilado electrostático 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 fotografías infrarrojas del IENG fueron tomadas por una cámara infrarroja HT-18. El experimento de evaporación se llevó a cabo bajo un simulador solar de una lámpara de xenón CEL-SA500/350. La concentración de iones se probó utilizando un espectrómetro de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) y un instrumento de cromatografía iónica (ICS-600). La generación de energía del IENG se midió mediante 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 mediante un simulador solar para monitorear la cantidad de evaporación en tiempo real. El cambio de masa del agua de mar en el evaporador solar se registró transitoriamente mediante 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 ambiente marino (21,4 °C, 15,8 % 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 superior media, 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 media. Aquí, se seleccionaron electrodos de oro para probar el rendimiento de la electricidad (Figura complementaria 16). 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 tramas de este artículo y otros hallazgos de este estudio se presentan en el artículo principal y en los materiales complementarios. Se pueden solicitar datos adicionales relacionados con este artículo a los autores correspondientes previa solicitud razonable.

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Este trabajo cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 51905085, 31925028, 52175266, 51975502), Proyecto financiado por la Fundación de Ciencias Postdoctorales de China (Subvención No. 2018M630330 y No. 2019T120245) y el Consejo de Innovación en Ciencia y Tecnología de Shenzhen (SGDX20201103093 00502 ).

Laboratorio clave provincial de ingeniería de equipos inteligentes forestales, Facultad de ingeniería mecánica y eléctrica, Universidad forestal del noreste, Harbin, 150000, República Popular 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 China

Shouwei Gao y Zuankai Wang

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ZS concibió la idea. ZL diseñó el experimento y analizó los datos, ZS, HY, MJ brindan apoyo financiero. HY y ZW brindaron 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 de revisión de este artículo. Todos los autores discutieron los resultados y comentaron el manuscrito.

Correspondencia a 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 demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Los informes de los revisores pares están disponibles.

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

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Recibido: 26 de julio de 2021

Aceptado: 18 de agosto de 2022

Publicado: 29 de agosto de 2022

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

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