20 de abril de 2024 (Destaque do Nanowerk) A evaporação da água é uma força da natureza que molda o nosso planeta há milhares de milhões de anos, impulsionando o ciclo da água e sustentando a vida na Terra. É um processo que ocorre continuamente, dia e noite, através de oceanos, lagos e até mesmo nos desertos mais áridos. No entanto, apesar da sua omnipresença e do seu imenso poder, aproveitar a energia da evaporação da água para gerar electricidade continua a ser um objectivo ilusório. Os desafios são inúmeros: a necessidade de materiais com elevada área superficial e densidade de carga, a complexidade dos processos de fabricação e a falta de opções sustentáveis e biodegradáveis. O potencial da evaporação da água como fonte de energia renovável é reconhecido há muito tempo. Teoricamente, os geradores de eletricidade induzidos por evaporação de água (WEIGs) poderiam fornecer densidades de potência de até 10 W/m2, rivalizando com a energia eólica moderna. Além disso, os WEIGs podem ser combinados com outras fontes de energia renováveis, como a energia solar e o calor residual, para aumentar ainda mais a sua eficiência. No entanto, o progresso neste domínio tem sido dificultado pelas limitações dos actuais nanomateriais e a complexidade dos processos de fabricação. Nas últimas duas décadas, os avanços na nanotecnologia abriram caminho para o desenvolvimento de nanogeradores capaz de coletar energia em pequena escala de várias fontes, como tensão mecânica, movimento físico e diferenças de temperatura ou concentração de íons. Estes dispositivos demonstraram potencial como sistemas eletrónicos autoalimentados, mas a sua dependência de condições específicas e de materiais não renováveis limitou a sua adoção generalizada. Neste contexto, os WEIGs surgiram como uma alternativa promissora. Ao aproveitar o efeito eletrocinético, que surge da interação entre nanomateriais funcionais e água, os WEIGs podem converter a energia da evaporação da água em eletricidade. Apesar destas vantagens, o desenvolvimento de WEIGs práticos e de alto desempenho tem sido dificultado pela complexidade da construção de nanomateriais com a área superficial e características de carga necessárias. Além disso, muitos dos materiais utilizados em WEIGs anteriores não eram renováveis, não biodegradáveis e eram caros, tornando-os impraticáveis para aplicações remotas onde a recuperação pode ser difícil.
Ilustração esquemática da preparação e mecanismo do gerador induzido por evaporação de água à base de madeira balsa deslignificada (DBWG). A esquerda mostrava a transpiração de água, nutrientes e íons ao longo da célula da árvore; O DBW foi fabricado pela deslignificação em uma etapa do BW, e o DBW manteve a estrutura hierárquica e porosa da madeira e exibiu CNFs mais expostos; foi mostrada a estrutura hierárquica de células de madeira em microescala, fibras de celulose, CNFs e cadeias de celulose em escala molecular; a estrutura sanduíche do meio exibida do DBWG (DBW entre dois eletrodos); a direita mostrou o transporte multifásico no DBWG, incluindo absorção de água, separação de íons e migração; a eletricidade gerada pelo DBWG foi atribuída ao potencial de streaming e às duplas camadas elétricas (EDL). (Reproduzido com permissão de Wiley-VCH Verlag) Agora, uma equipe de pesquisadores fez um avanço significativo neste campo ao desenvolver todos os WEIGs sustentáveis, à base de madeira, com alto desempenho de geração de eletricidade. Conforme relatado em seu artigo publicado em Materiais funcionais avançados (“Todo gerador de eletricidade induzido por evaporação de água à base de madeira”), os cientistas utilizaram a estrutura porosa hierárquica intrínseca e as nanofibrilas de celulose alinhadas encontradas na madeira natural para criar canais eficientes de transporte de íons. Os pesquisadores escolheram a madeira balsa como material de partida devido à sua alta porosidade, estabilidade dimensional e superfície modificável. Ao remover a lignina e a hemicelulose da madeira por meio de um processo chamado deslignificação, eles expuseram um maior número de partículas alinhadas verticalmente e carregadas negativamente. nanofibrilas de celulose. Essas nanofibrilas serviram como íon canais nanofluídicos, aumentando a eficiência da geração de energia dos WEIGs à base de madeira. A madeira balsa deslignificada (DBW) e a madeira balsa celulósica (CBW) obtidas através deste processo exibiram área superficial específica, hidrofilicidade e densidade de carga superficial significativamente aumentadas em comparação com a madeira balsa não tratada. As áreas de superfície específicas de DBW e CBW foram de aproximadamente 1.85 e 4.03 m2/g, que eram cerca de 10 e 21 vezes superiores aos da madeira balsa não tratada (0.19 m2/g). Essas propriedades são críticas para o transporte seletivo de íons e a formação de uma dupla camada elétrica na interface sólido-líquido, que dá origem ao potencial e à corrente de fluxo que geram eletricidade nos WEIGs. Em seus experimentos, os pesquisadores descobriram que os WEIGs baseados em DBW e CBW apresentaram desempenho de geração de energia dramaticamente melhorado em comparação com a madeira balsa não tratada. O WEIG baseado em DBW (DBWG) demonstrou uma produção de eletricidade estável e rápida resposta às condições ambientais, como umidade, temperatura, luz e vento. Em ambientes com umidade relativa de 40% e 26 °C, o DBWG apresentou tensão de circuito aberto de 0.20 V, corrente de curto-circuito de 1.5 µA e potência máxima de 0.92 µW, valores significativamente superiores aos do WEIG à base de madeira balsa não tratada. Essas características tornam os DBWGs adequados para uso como sensores ambientais autoalimentados, além de sua função como fontes de energia.
Os componentes da parede celular da madeira eram principalmente celulose, lignina e hemicelulose. Fibrilas de celulose constituídas por regiões cristalinas e amorfas foram incorporadas em lignina e matriz de hemicelulose. (Reproduzido com permissão por Wiley-VCH Verlag) Os pesquisadores também investigaram os efeitos de diferentes eletrólitos e suas concentrações no desempenho dos DBWGs. Ao substituir a água por soluções salinas, eles alcançaram melhorias significativas na tensão de circuito aberto e na corrente de curto-circuito. Um DBWG com espessura de 2 mm gerou uma impressionante tensão de circuito aberto de 0.77 V e uma corrente de curto-circuito de 148 µA ao usar solução de cloreto de cálcio 1.2 M como eletrólito, que foi a concentração ideal para maximizar o desempenho do dispositivo. Embora os WEIGs à base de madeira apresentados neste estudo demonstrem avanços significativos em termos de sustentabilidade, biodegradabilidade e eficiência na geração de energia, ainda existem algumas limitações e desafios que precisam ser abordados. Por exemplo, a estabilidade e durabilidade a longo prazo destes dispositivos sob diversas condições ambientais precisam de ser mais investigadas. Além disso, a escalabilidade do processo de fabricação e a integração destes geradores com outros dispositivos eletrônicos requerem uma exploração mais aprofundada. As aplicações potenciais destes WEIGs à base de madeira são vastas, particularmente em áreas remotas onde o acesso a uma rede eléctrica é limitado. Eles poderiam servir como sensores autoalimentados para monitorar as condições ambientais, bem como fornecer um fornecimento contínuo de eletricidade verde para dispositivos eletrônicos de baixa potência. Além disso, a natureza biodegradável destes geradores torna-os uma alternativa amiga do ambiente às fontes de energia não renováveis. À medida que o mundo procura fazer a transição para um futuro mais sustentável, o desenvolvimento de tecnologias inovadoras que aproveitem os recursos renováveis é essencial. Os WEIGs à base de madeira apresentados nesta pesquisa representam um avanço significativo nessa direção, oferecendo uma solução promissora para a geração de eletricidade verde a partir do processo onipresente de evaporação da água. Com maior otimização e expansão, estes geradores poderão desempenhar um papel crucial na satisfação da crescente procura de energia sustentável e na alimentação da eletrónica autoalimentada do futuro.
– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedade: ultrapassando os limites da tecnologia,
Nanotecnologia: o futuro é minúsculo e
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível
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