Les chercheurs affirment avoir découvert que des dispositifs à l’échelle nanométrique exploitant l’effet hydroélectrique peuvent récolter de l’électricité provenant de l’évaporation de fluides ayant des concentrations d’ions plus élevées que l’eau purifiée, révélant ainsi un vaste potentiel énergétique inexploité.

L’évaporation est un processus naturel si omniprésent que la plupart d’entre nous le tiennent pour acquis. En fait, environ la moitié de l’énergie solaire qui atteint la Terre entraîne des processus d’évaporation. Depuis 2017, des chercheurs s’efforcent d’exploiter le potentiel énergétique de l’évaporation via l’effet hydrovoltaïque (HV), qui permet de récupérer de l’électricité lorsqu’un fluide passe sur la surface chargée d’un appareil à l’échelle nanométrique. L'évaporation établit un flux continu dans les nanocanaux à l'intérieur de ces dispositifs, qui agissent comme des mécanismes de pompage passif. Cet effet s’observe également dans les microcapillaires des plantes, où le transport de l’eau s’effectue grâce à une combinaison de pression capillaire et d’évaporation naturelle.

Bien que les dispositifs hydrovoltaïques existent actuellement, il existe très peu de compréhension fonctionnelle des conditions et des phénomènes physiques qui régissent la production d’énergie HT à l’échelle nanométrique. C'est une lacune d'information que Giulia Tagliabue, directrice du Laboratoire de nanosciences pour les technologies énergétiques (LNET) de la Faculté d'ingénierie, et le doctorant Tarique Anwar ont voulu combler. Ils ont exploité une combinaison d’expériences et de modélisation multiphysique pour caractériser les flux de fluides, les flux d’ions et les effets électrostatiques dus aux interactions solide-liquide, dans le but d’optimiser les dispositifs HT.

« Grâce à notre nouvelle plateforme hautement contrôlée, il s'agit de la première étude qui quantifie ces phénomènes hydrovoltaïques en mettant en évidence l'importance de diverses interactions interfaciales. Mais ce faisant, nous avons également fait une découverte majeure : les dispositifs hydrovoltaïques peuvent fonctionner sur une large gamme de salinités, ce qui contredit l'idée antérieure selon laquelle une eau hautement purifiée était nécessaire pour obtenir de meilleures performances", explique Tagliabue.

L'étude LNET a récemment été publiée dans la revue Cell Press Device.

Un modèle multiphysique révélateur
Le dispositif des chercheurs représente la première application hydrovoltaïque d'une technique appelée lithographie colloïdale des nanosphères, qui leur a permis de créer un réseau hexagonal de nanopiliers de silicium espacés avec précision. Les espaces entre les nanopiliers ont créé des canaux parfaits pour l'évaporation des échantillons de fluide et ont pu être réglés avec précision pour mieux comprendre les effets du confinement des fluides et de la zone de contact solide/liquide.

« Dans la plupart des systèmes fluidiques contenant des solutions salines, vous disposez d’un nombre égal d’ions positifs et négatifs. Cependant, lorsque vous confinez le liquide dans un nanocanal, seuls les ions de polarité opposée à celle de la charge de surface resteront », explique Anwar. "Cela signifie que si vous permettez au liquide de circuler à travers le nanocanal, vous générerez du courant et des tensions."

"Cela nous ramène à notre découverte majeure selon laquelle l'équilibre chimique de la charge de surface du nanodispositif peut être exploité pour étendre le fonctionnement des dispositifs hydrovoltaïques sur l'échelle de salinité", ajoute Tagliabue. « En effet, à mesure que la concentration en ions du fluide augmente, la charge de surface du nanodispositif augmente également. En conséquence, nous pouvons utiliser des canaux de fluide plus grands tout en travaillant avec des fluides à plus forte concentration. Cela facilite la fabrication de dispositifs destinés à être utilisés avec de l’eau du robinet ou de l’eau de mer, par opposition à l’eau purifiée uniquement.

L'eau, l'eau partout
Étant donné que l’évaporation peut se produire en continu sur une large plage de températures et d’humidités – et même la nuit – il existe de nombreuses applications potentielles intéressantes pour les appareils HT plus efficaces. Les chercheurs espèrent explorer ce potentiel avec le soutien d'une subvention de démarrage du Fonds national suisse, qui vise à développer « un tout nouveau paradigme pour la récupération de la chaleur perdue et la production d'énergie renouvelable à grande et petite échelle », y compris un module prototype sous conditions réelles. -Conditions mondiales sur le lac Léman.

Et comme les appareils HT pourraient théoriquement fonctionner partout où il y a du liquide – ou même de l’humidité, comme la sueur – ils pourraient également être utilisés pour alimenter des capteurs pour les appareils connectés, des téléviseurs intelligents aux appareils portables de santé et de fitness. Fort de l'expertise du LNET dans les systèmes de récupération et de stockage de l'énergie lumineuse, Tagliabue souhaite également voir comment la lumière et les effets photothermiques pourraient être utilisés pour contrôler les charges de surface et les taux d'évaporation dans les systèmes HT.

Enfin, les chercheurs voient également d’importantes synergies entre les systèmes HT et la production d’eau potable.

« L’évaporation naturelle est utilisée pour piloter les processus de dessalement, car l’eau douce peut être récupérée de l’eau salée en condensant la vapeur produite par une surface d’évaporation. Désormais, vous pouvez imaginer utiliser un système HT à la fois pour produire de l’eau propre et exploiter l’électricité », a déclaré Anwar.

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• La source: https://envirotecmagazine.com/2024/03/12/nanodevices-can-produce-energy-from-evaporating-tap-or-seawater/