Resumo:
Uma equipe de pesquisa da SUNY Binghamton desenvolveu um papel de parede "higroelétrico" baseado em papel que absorve a umidade do ar e gera uma pequena quantidade de eletricidade enquanto amortece as mudanças de umidade interna. Pesquisa relevante foi publicada em Advanced Energy Materials. A equipe disse que seu objetivo não é substituir a rede ou a energia solar nos telhados, mas sim alimentar dispositivos de baixa potência da Internet das Coisas, como sensores ambientais e módulos sem fio, e explorar a possibilidade de que as paredes tenham funções de coleta de energia e regulação de umidade.
Este protótipo não é um papel de parede disponível comercialmente, mas é baseado em papel de cromatografia de laboratório com cerca de 340 mícrons de espessura. Cada unidade geradora de energia com cerca de 2 cm quadrados é dividida em três áreas: as bordas são revestidas com glicerina, responsável por absorver o vapor d’água do ar; a área intermediária contém polivinilpirrolidona (PVP), que utiliza poros menores e forte capacidade de absorção de água para guiar a umidade para dentro; o centro é tratado com cera, dificultando a passagem da água líquida, mas o vapor d'água ainda pode escapar pelos microporos. Os pesquisadores confeccionaram eletrodos com tinta de grafite e conectaram as unidades por meio de vias de laser preenchidas com pasta de prata, com os circuitos escondidos no verso do papel.
A eletricidade vem de um processo contínuo de absorção de umidade, transporte interno de água e evaporação central. As moléculas de água interagem com grupos químicos da glicerina, celulose e PVP para liberar prótons, formando uma diferença de concentração de íons entre as bordas e o centro, fazendo com que as partículas carregadas se movam e estabeleçam uma voltagem, e então o eletrodo de grafite coleta a corrente. A equipe colocou a zona higroscópica na periferia e a zona de evaporação no centro, permitindo que a umidade se movesse direcionalmente ao longo da superfície da folha. A camada de cera não é completamente selada, mas bloqueia seletivamente a água líquida e permite que o vapor d'água escape para manter o gradiente de umidade.
Sob condições de teste de 80% de umidade relativa, uma única unidade gera uma tensão de aproximadamente 0,34 volts, com uma densidade de potência de pico de aproximadamente 2,2 microwatts por centímetro quadrado, que é aproximadamente 0,55 microwatts por centímetro quadrado com base em toda a área ocupada da unidade de 4 centímetros quadrados; a saída permanece estável por aproximadamente 90 minutos. Quanto maior a umidade, mais umidade a unidade absorve e mais forte será a saída geral. Quando 10 unidades são conectadas em série, a tensão a 80% de umidade relativa é de cerca de 2,9 volts; quando 10 unidades são conectadas em paralelo, a corrente é de cerca de 240 microamperes. O artigo destaca que a densidade de potência de toda a área ocupada pelo papel de parede ainda é baixa e o desenho geométrico existente ainda não foi otimizado para a produção total.
A equipe de pesquisa formou então um conjunto maior de 1.596 unidades, reduziu a umidade interna para cerca de 32% em 15 minutos a uma umidade relativa de cerca de 38% e demonstrou como ligar um teclado sem fio; a demonstração usou armazenamento de energia de capacitor para liberar carga quando o teclado estava funcionando. Em um experimento menor, 35 unidades alimentaram o sensor de umidade por cerca de 15 minutos. A pesquisa também testou o tampão de umidade em uma caixa lacrada de 30 × 30 × 15 cm. 28 unidades reduziram a umidade de 75% para 50% em cerca de 4 minutos; o papel higroscópico pode liberar umidade no ar seco, fazendo com que a umidade suba de 15% para 20% em cerca de 16 minutos. Estes resultados são provenientes de experiências controladas e não podem ser interpretados diretamente como desumidificação a longo prazo ou capacidades de energia para uma casa inteira.
A equipe espera usar impressão em cera, pulverização, serigrafia e processamento a laser para obter impressão de processo completo e acredita que haverá oportunidades para expandir a produção no futuro. Mas atualmente, o papel de laboratório ainda está sendo usado e a pesquisa ainda não demonstrou a durabilidade do produto, a estabilidade do ciclismo a longo prazo ou o desempenho real da casa sob diversas condições de ventilação. Os investigadores também salientaram que, embora a humidade mais elevada possa aumentar a absorção de humidade e a geração de energia, quando a humidade relativa se aproxima dos 90% a 95%, a diferença de pressão de vapor de água necessária para a evaporação central pode enfraquecer, e a produção pode tender a estagnar ou mesmo diminuir.
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