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(Foco Nanowerk) La evaporación del agua es una fuerza de la naturaleza que ha dado forma a nuestro planeta durante miles de millones de años, impulsando el ciclo del agua y sustentando la vida en la Tierra. Es un proceso que ocurre continuamente día y noche en océanos, lagos e incluso los desiertos más secos. Sin embargo, a pesar de su ubicuidad y su inmenso poder, aprovechar la energía de la evaporación del agua para generar electricidad sigue siendo un objetivo difícil de alcanzar. Los desafíos son muchos: la necesidad de materiales con alta superficie y densidad de carga, la complejidad de los procesos de fabricación y la falta de opciones sostenibles y biodegradables.
Hace tiempo que se reconoce el potencial de la evaporación del agua como fuente de energía renovable. En teoría, los generadores de energía inducidos por la evaporación de agua (WEIG) podrían generar densidades de energía de hasta 10 W/m2y compite con la energía eólica moderna. Además, los WEIG se pueden combinar con otras fuentes de energía renovables, como la energía solar y el calor residual, para aumentar aún más su eficiencia. Sin embargo, el progreso en este campo se ha visto obstaculizado por las limitaciones de los nanomateriales existentes y la complejidad de los procesos de fabricación.
En las últimas dos décadas, los avances en nanotecnología han allanado el camino para el desarrollo de nanogeneradores capaces de recolectar energía a pequeña escala de diversas fuentes, como tensión mecánica, movimiento físico y diferencias de temperatura o concentración de iones. Estos dispositivos han demostrado potencial como sistemas electrónicos autosuficientes, pero su dependencia de condiciones específicas y materiales no renovables ha limitado su adopción generalizada.
En este contexto, los WEIG han surgido como una alternativa prometedora. Al aprovechar el efecto electrocinético creado por la interacción entre los nanomateriales funcionales y el agua, los WEIG pueden convertir la energía del agua que se evapora en electricidad. A pesar de estas ventajas, el desarrollo de WEIG prácticos de alto rendimiento se ha visto obstaculizado por la complejidad de diseñar nanomateriales con la superficie y las propiedades de carga requeridas. Además, muchos de los materiales utilizados en WEIG anteriores no eran renovables, no biodegradables y costosos, lo que los hacía poco prácticos para aplicaciones remotas donde la recuperación podría ser difícil.
![Representación esquemática de la fabricación y mecanismo de un generador inducido por evaporación de agua a base de madera de balsa deslignificada.](https://www.nanowerk.com/spotlight/id65068_1.jpg)
Ahora, un equipo de investigadores ha logrado un avance significativo en este campo al desarrollar WEIG sostenibles a base de madera con alta capacidad de generación de energía. Como informan en su artículo publicado en Materiales funcionales avanzados (“Generador de electricidad inducido por evaporación de agua a base de madera”), los científicos utilizaron la estructura porosa jerárquica intrínseca y alinearon nanofibrillas de celulosa que se encuentran en la madera natural para crear canales eficientes de transporte de iones.
Los investigadores eligieron la madera de balsa como material de partida debido a su alta porosidad, estabilidad dimensional y superficie modificable. Al eliminar la lignina y la hemicelulosa de la madera mediante un proceso llamado deslignificación, expusieron una mayor cantidad de nanofibrillas de celulosa cargadas negativamente y alineadas verticalmente. Estas nanofibrillas sirvieron como canales de iones nanofluídicos y aumentaron la eficiencia de generación de energía de los WEIG a base de madera.
La madera de balsa deslignificada (DBW) y la madera de balsa de celulosa (CBW) obtenidas mediante este proceso mostraron un área de superficie específica, hidrofilicidad y densidad de carga superficial significativamente mayores en comparación con la madera de balsa sin tratar. Las superficies específicas de DBW y CBW fueron aproximadamente 1,85 y 4,03 m2/g, que fueron aproximadamente 10 y 21 veces mayores que los de la madera de balsa sin tratar (0,19 m), respectivamente.2/GRAMO). Estas propiedades son cruciales para el transporte selectivo de iones y la formación de una doble capa eléctrica en la interfaz sólido-líquido, que genera el potencial de flujo y la corriente que generan energía en los WEIG.
En sus experimentos, los investigadores descubrieron que tanto los WEIG basados en DBW como en CBW habían mejorado significativamente el rendimiento de generación de energía en comparación con la madera de balsa sin tratar. El WEIG (DBWG) basado en DBW demostró una producción de energía estable y una respuesta rápida a condiciones ambientales como humedad, temperatura, luz y viento. A una temperatura ambiente de 40 % de humedad relativa y 26 °C, el DBWG tenía una tensión de circuito abierto de 0,20 V, una corriente de cortocircuito de 1,5 µA y una potencia máxima de 0,92 µW, que eran significativamente mayores que las de los modelos no tratados. madera de balsa WEIG . Debido a estas propiedades, los DBWG son adecuados para su uso como sensores ambientales autosuficientes desde el punto de vista energético, además de su función como fuente de energía.
![Fibrillas de celulosa que constan de regiones cristalinas y amorfas se incrustaron en una matriz de lignina y hemicelulosa.](https://www.nanowerk.com/spotlight/id65068_2.jpg)
Los investigadores también examinaron los efectos de diferentes electrolitos y sus concentraciones sobre el rendimiento de los DBWG. Al reemplazar el agua con soluciones salinas, lograron mejoras significativas en el voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito. Un DBWG con un espesor de 2 mm produjo un impresionante voltaje de circuito abierto de 0,77 V y una corriente de cortocircuito de 148 µA cuando se utilizó una solución de cloruro de calcio 1,2 M como electrolito, que era la concentración óptima para maximizar el rendimiento del dispositivo.
Aunque los WEIG a base de madera presentados en este estudio demuestran avances significativos en sostenibilidad, biodegradabilidad y eficiencia en la generación de energía, todavía existen algunas limitaciones y desafíos que deben abordarse. Por ejemplo, es necesario investigar más a fondo la estabilidad y durabilidad a largo plazo de estos dispositivos en diferentes condiciones ambientales. Además, es necesario investigar más a fondo la escalabilidad del proceso de fabricación y la integración de estos generadores en otros dispositivos electrónicos.
Las aplicaciones potenciales de estos WEIG a base de madera son diversas, particularmente en áreas remotas donde el acceso a una red eléctrica es limitado. Podrían servir como sensores autoalimentados para monitorear las condiciones ambientales y garantizar un suministro continuo de electricidad verde para dispositivos electrónicos de bajo consumo. Además, estos generadores son una alternativa respetuosa con el medio ambiente a las fuentes de energía no renovables debido a su biodegradabilidad.
Mientras el mundo se esfuerza por hacer la transición hacia un futuro más sostenible, es fundamental desarrollar tecnologías innovadoras para aprovechar los recursos renovables. Los WEIG a base de madera presentados en esta investigación representan un paso significativo en esta dirección y ofrecen una solución prometedora para generar electricidad verde a partir del omnipresente proceso de evaporación del agua. Con una mayor optimización y ampliación, estos generadores podrían desempeñar un papel fundamental para satisfacer la creciente necesidad de energía sostenible y alimentar la electrónica autosuficiente del futuro.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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