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Jul 12, 2023

생체모방 및 다중설계로 효율적인 발전 실현

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Nature Communications 13권, 기사 번호: 5077(2022) 이 기사 인용

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수분 증발은 언제 어디서나 발생하는 자연스러운 상변화 현상입니다. 맞춤형 구조적, 화학적, 열적 특성을 지닌 물과 재료 간의 상호 작용을 활용하여 이러한 유비쿼터스 프로세스에서 에너지를 수확하기 위해 엄청난 노력이 이루어졌습니다. 여기서 우리는 장치 상단과 중앙에 효율적인 빛 대 열 및 전기 생성을 위한 추가 생체 공학적 광 트래핑 구조를 도입하여 상호 작용을 더욱 증폭시키는 다층 계면 증발 구동 나노 발전기(IENG)를 개발합니다. 주목할 만한 점은 충분한 물 수송 및 저장을 위해 바닥층을 합리적으로 설계했다는 것입니다. 우리는 IENG가 최적의 조건에서 현재 보고된 평균 값보다 6.8배 이상 높은 11.8μW cm−2의 놀라운 연속 전력 출력을 수행함을 입증합니다. 우리는 이 연구가 효과적인 발전을 위해 다양한 자연 에너지원을 사용하는 새로운 생체공학 전략을 제공할 수 있기를 바랍니다.

물 증발은 전 세계 물 순환에서 필수적인 역할을 하는 보편적인 물리적 과정입니다1,2,3. 덜 명백하게도 이러한 동적 질량 및 열 전달 현상은 막대한 에너지 흐름과도 연관되어 있습니다. 최초의 증발 기반 에너지 수확 전략은 2017년에 보고되었으며, 이는 카본 블랙 시트 내 물 흐름을 통해 지속적이고 상당한 전력을 생성할 수 있습니다4. 지난 몇 년 동안 장치의 성능을 향상시키기 위한 광범위한 노력이 이루어졌습니다5,6,7.

최근 에너지 하베스팅의 효율성을 높이기 위해 구조적, 화학적, 열적 특성을 지닌 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 그중에서도 국부적인 온도 향상 전략은 수면의 계면 증발 속도를 결정하는 데 가장 중요합니다8,9. 태양열 구동 계면 증발은 증발을 위해 빛을 열로 직접 전달할 수 있는 물 부족이라는 긴급한 글로벌 문제에 대한 유망한 친환경적이고 지속 가능한 솔루션으로 확인되었습니다10,11,12,13. 재료, 조건 및 구조를 훌륭하게 선택하면 증발 속도는 태양 1일 하에서 4kg m−2 h−1 이상에 도달할 수 있습니다14,15,16. 표면의 광흡수 효율은 증발 성능의 추가 증가를 억제하는 근본적인 병목 현상입니다. 결합된 생체 영감 전략17,18,19,20,21, 다층 설계는 이러한 딜레마를 완화하기 위한 효과적인 조치로 간주됩니다.

여기에서 우리는 계층화된 기능화를 달성하고 빛에서 열 및 전기 생성을 위한 생체 공학적 광 트래핑 구조를 도입한 간단하고 효율적인 계면 증발 구동 나노발전기(IENG)를 개발했습니다. 하단은 물 공급을 위해 다공성 이온성 하이드로겔로 구성되고, 중간층은 전기 전도도를 높이는 다중벽탄소나노튜브(MWNT)와 MXene을, 상단 나노섬유층은 열과 전기 생성을 위한 MWNT를 구성한다. 가장 중요한 것은 우리의 디자인이 햇빛 반사가 거의 없는 나방 눈 표면의 광 트래핑 구조를 활용하고 96.7%의 높은 광 흡수 효율과 2.78kg m−2h의 우수한 수분 증발 속도에 기여한다는 것입니다. 1태양의 광도에서 −1. 또한 높은 증발율로 인해 IENG는 수정된 조건에서 11.8μW cm-2의 출력 전력 밀도를 나타내며 이는 현재 보고된 평균 값보다 6.8배 이상 높습니다. 우리 장치는 자연 계면 증발 구동 발전 시스템 개발을 위한 새로운 개념을 보여주고 외부 환경의 여러 소스에서 에너지를 수확하는 획기적인 시도로 작용합니다.

그림 1a, b는 IENG의 설계를 보여줍니다. 전반적으로 우리 IENG는 세 가지 기능 계층을 갖는 계층 구조입니다. 최상층은 MWNT를 구성하는 나노섬유로 덮여 있어 열과 전기 생성 특성에 일차적인 빛을 제공합니다. 중간층은 나방눈을 모방하여 세심하게 설계된 크기의 규칙적인 어레이이며 IH, MWNT, MXene 및 CsPbBr3 유형 페로브스카이트로 구성됩니다. 이 생체공학적 광포착(BL) 구조는 빛 흡수와 전기 출력을 강화하는 액세서리 역할을 했다. 바닥층은 증발 중에 안정적인 물 저장/공급을 위해 사용되는 이온성 하이드로겔(IH)로 구성됩니다.