Un dispositif portable utilisant des aérogels de pérovskite à haute entropie pour une conversion énergétique efficace à partir de l'eau atmosphérique

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pérovskite à haute entropie aérogel évaporation solaire récupération d'eau réaction d'évolution de l'oxygène

Contexte académique

La pénurie mondiale d’eau et d’énergie est particulièrement grave dans les régions arides et reculées, et cette problématique devient encore plus pressante dans le contexte de l’aggravation du changement climatique. Les méthodes traditionnelles d’acquisition de l’eau et de l’énergie, telles que le dessalement de l’eau de mer ou le transport d’électricité à grande échelle, sont non seulement coûteuses et techniquement complexes, mais aussi difficiles à mettre en œuvre dans les régions pauvres en ressources. Par conséquent, le développement d’une technologie durable capable de capter directement l’humidité atmosphérique et de la transformer en eau propre et en énergie est devenu un axe de recherche prioritaire. La technologie de collecte d’eau atmosphérique (Atmospheric Water Harvesting, AWH) offre une solution décentralisée en exploitant la rosée et le brouillard naturel, permettant de fournir de l’eau propre dans les régions arides et reculées tout en réduisant la dépendance aux systèmes centralisés traditionnels. Cependant, la combinaison de la technologie AWH avec la production d’énergie, en particulier via l’électrolyse de l’eau pour générer de l’hydrogène et de l’oxygène, reste un défi scientifique.

Source de l’article

Cette recherche a été menée par Yi Lu, Zongze Li, Guangyao Zhang, Hao Zhang, Deqi Fan, Ming Zhao, Han Zhu et Xiaofei Yang, affiliés respectivement à l’Université de Foresterie de Nanjing, à l’Université de Jiangnan et à l’Université Nationale de Singapour. L’article a été accepté le 25 novembre 2024 et publié dans la revue Advanced Fiber Materials, avec le DOI 10.1007/s42765-024-00504-7.

Processus de recherche

1. Préparation des matériaux

L’étude a d’abord synthétisé des fibres de pérovskite à haute entropie La(Cr0.2Mn0.2Fe0.2Co0.2Ni0.2)O3 (abrégé LB5O3) par électrofilage et calcination à haute température. Les étapes spécifiques sont les suivantes : - Préparation de la solution précurseur : Mélange de La(NO3)3·6H2O, Cr(NO3)3·9H2O, Mn(NO3)2·4H2O, Fe(NO3)3·9H2O, Co(NO3)2·6H2O et Ni(NO3)2·6H2O avec du PVP, addition de solvant DMF, agitation et traitement par ultrasons. - Électrofilage : La solution précurseur est projetée à travers une aiguille G20 à une vitesse de 0,8 µl/min, avec une tension de 15 kV. Les fibres collectées sont ensuite séchées dans un four sous vide, pré-sinterisées à 300°C pendant 1 heure, puis calcinées à 700°C pendant 2 heures. - Préparation de l’aérogel : Une dispersion de cellulose bactérienne est mélangée à de l’alcool polyvinylique, additionnée d’HCl et de glutaraldéhyde, puis soumise à un cycle de congélation et de polymérisation in situ, suivi d’une lyophilisation pour produire l’aérogel, qui est ensuite trempé dans une solution de LiCl pour améliorer son hygroscopicité.

2. Conception et assemblage de l’appareil

L’étude a conçu un dispositif intégré capable de générer simultanément de l’eau propre et de l’énergie via l’AWH et l’électrolyse de l’eau. Les composants principaux de l’appareil incluent : - Couvercle pyramidal transparent : Pour capturer l’humidité atmosphérique. - Réservoir d’eau : Pour stocker l’eau collectée. - Électrode en aérogel : Composée de fibres LB5O3 et d’aérogel LiCl, utilisée pour l’électrolyse de l’eau. - Collecteur de gaz : Pour séparer et collecter l’hydrogène et l’oxygène générés.

3. Tests de performance

L’étude a mené des tests détaillés sur l’hygroscopicité, l’efficacité de conversion photothermique et les performances électrocatalytiques des matériaux : - Test d’hygroscopicité : Mesure de la capacité d’absorption d’eau de l’aérogel dans différentes conditions d’humidité relative (RH), montrant que l’aérogel CA-LB5O3-LiCl atteint un taux d’absorption de 1,44 g/g à 90% RH. - Test de conversion photothermique : Sous une intensité lumineuse de 1 soleil (0,1 W/cm2), la conversion photothermique des fibres LB5O3 élève rapidement leur température de surface à 38°C, avec un taux d’évaporation d’eau de 2,1 kg/m2·h. - Test de performance électrocatalytique : En milieu alcalin, les fibres LB5O3 montrent une excellente activité pour la réaction d’évolution de l’oxygène (OER), avec un surpotentiel de seulement 290 mV et une pente de Tafel de 54,4 mV/dec.

Principaux résultats

1. Structure et performance des fibres de pérovskite à haute entropie

L’analyse par diffraction des rayons X (XRD), microscopie électronique à balayage (SEM) et microscopie électronique en transmission (TEM) révèle que les fibres LB5O3 présentent une structure pérovskite typique, avec une surface riche en nanopores. La cartographie EDX montre une distribution uniforme des éléments La, Cr, Mn, Fe, Co, Ni et O dans les fibres, sans agrégation.

2. Performance d’absorption et de libération d’eau de l’aérogel

L’aérogel CA-LB5O3-LiCl montre une excellente capacité d’absorption d’eau dans des conditions de faible humidité, avec un taux d’absorption de 0,58 g/g·h à 30% RH, atteignant 1,44 g/g·h à 90% RH. Sous irradiation solaire, l’aérogel libère rapidement l’eau absorbée, augmentant significativement le taux d’évaporation.

3. Performance d’électrolyse de l’eau

Les fibres LB5O3 montrent un faible surpotentiel et une faible pente de Tafel dans la réaction OER, indiquant une activité catalytique élevée. Les expériences en extérieur valident le potentiel d’application pratique de l’appareil dans les environnements arides, générant simultanément de l’hydrogène et de l’oxygène avec une efficacité proche de la valeur théorique.

Conclusion et signification de la recherche

Cette étude a développé avec succès un dispositif portable capable de capter l’humidité atmosphérique via un aérogel de pérovskite à haute entropie, et d’utiliser l’énergie solaire pour entraîner l’évaporation de l’eau et l’électrolyse, générant simultanément de l’eau propre et de l’énergie verte. Cette technologie offre une solution durable pour les régions arides et reculées, avec une valeur scientifique et pratique significative.

Points forts de la recherche

  1. Performance exceptionnelle des fibres de pérovskite à haute entropie : Grâce à l’effet synergique des multiples métaux, les fibres LB5O3 montrent une activité catalytique élevée dans la réaction OER.
  2. Efficacité d’absorption et de libération d’eau de l’aérogel : L’aérogel CA-LB5O3-LiCl absorbe efficacement l’eau même dans des conditions de faible humidité et la libère rapidement sous irradiation solaire.
  3. Conception innovante du dispositif intégré : L’appareil combine les technologies AWH, d’évaporation photothermique et d’électrolyse de l’eau, permettant la génération simultanée d’eau et d’énergie.

Cette recherche fournit non seulement une nouvelle voie technologique pour résoudre les problèmes mondiaux de pénurie d’eau et d’énergie, mais ouvre également de nouvelles directions pour l’application des matériaux à haute entropie dans le domaine de la conversion d’énergie.