Аннотация:
Исследовательская группа SUNY в Бингемтоне разработала «гигроэлектрические» обои на бумажной основе, которые поглощают влагу из воздуха и генерируют небольшое количество электроэнергии, одновременно смягчая изменения влажности в помещении. Соответствующее исследование опубликовано в журнале Advanced Energy Materials. Команда заявила, что ее цель — не заменить электросеть или солнечную энергию на крыше, а обеспечить питание маломощных устройств Интернета вещей, таких как датчики окружающей среды и беспроводные модули, а также изучить, как стены могут выполнять функции сбора энергии и регулирования влажности.
Данный прототип не является коммерчески доступными обоями, а основан на лабораторной хроматографической бумаге толщиной около 340 микрон. Каждый квадратный энергоблок площадью около 2 см разделен на три области: края покрыты глицерином, который отвечает за поглощение водяных паров из воздуха; средняя часть содержит поливинилпирролидон (ПВП), который имеет более мелкие поры и сильную водопоглощающую способность для направления влаги внутрь; центр обработан воском, что затрудняет прохождение жидкой воды, однако водяной пар все равно может выходить через микропоры. Исследователи изготовили электроды с графитовыми чернилами и соединили их через лазерные переходы, заполненные серебряной пастой, при этом схемы были спрятаны на обратной стороне бумаги.
Электричество вырабатывается в результате непрерывного процесса поглощения влаги, внутреннего переноса воды и центрального испарения. Молекулы воды взаимодействуют с химическими группами в глицерине, целлюлозе и ПВП, высвобождая протоны, образуя разницу в концентрации ионов между краями и центром, побуждая заряженные частицы двигаться и устанавливать напряжение, а затем графитовый электрод собирает ток. Команда разместила гигроскопическую зону на периферии, а зону испарения — в центре, позволяя влаге двигаться направленно вдоль поверхности листа. Слой воска не полностью герметичен, а избирательно блокирует жидкую воду и позволяет водяному пару выходить наружу, поддерживая градиент влажности.
В условиях испытаний при относительной влажности 80 % один блок генерирует напряжение примерно 0,34 В с пиковой плотностью мощности примерно 2,2 микроватт на квадратный сантиметр, что составляет примерно 0,55 микроватт на квадратный сантиметр в расчете на всю площадь блока площадью 4 квадратных сантиметра; выходной сигнал остается стабильным в течение примерно 90 минут. Чем выше влажность, тем больше влаги поглощает устройство и тем выше общая мощность. При последовательном соединении 10 устройств напряжение при относительной влажности 80 % составляет около 2,9 В; при параллельном соединении 10 единиц ток составляет около 240 микроампер. В документе отмечается, что удельная мощность всей площади обоев все еще низка, а существующая геометрическая конструкция еще не оптимизирована для общей производительности.
Затем исследовательская группа сформировала более крупную группу из 1596 устройств, снизила влажность в помещении примерно до 32 % за 15 минут при относительной влажности около 38 % и продемонстрировала включение беспроводной клавиатуры; в демонстрации использовался конденсаторный накопитель энергии для высвобождения заряда во время работы клавиатуры. В меньшем эксперименте 35 блоков питали датчик влажности примерно на 15 минут. В ходе исследования также был протестирован буфер влажности в герметичной коробке размером 30 × 30 × 15 см. 28 единиц снизили влажность с 75% до 50% примерно за 4 минуты; гигроскопическая бумага может выделять влагу в сухой воздух, в результате чего влажность повышается с 15% до 20% примерно за 16 минут. Эти результаты получены в результате контролируемых экспериментов и не могут быть напрямую интерпретированы как долгосрочное осушение или мощность электроснабжения всего дома.
Команда надеется использовать восковую печать, напыление, трафаретную печать и лазерную обработку для достижения полного процесса печати и полагает, что в будущем появятся возможности для расширения производства. Но в настоящее время лабораторная бумага все еще используется, и исследования еще не продемонстрировали долговечность продукта, долгосрочную стабильность при циклическом использовании или реальную эффективность в домашних условиях при различных условиях вентиляции. Исследователи также отметили, что, хотя более высокая влажность может увеличить поглощение влаги и выработку электроэнергии, когда относительная влажность приближается к 90–95%, разница давления водяного пара, необходимая для центрального испарения, может ослабнуть, и выходная мощность может иметь тенденцию к стабилизации или даже снижению.
Комментарии