Zusammenfassung:
Ein Forschungsteam von SUNY Binghamton hat eine „hygroelektrische“ Tapete auf Papierbasis entwickelt, die Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt und eine kleine Menge Strom erzeugt, während sie gleichzeitig Änderungen der Luftfeuchtigkeit in Innenräumen puffert. Relevante Forschungsergebnisse wurden in Advanced Energy Materials veröffentlicht. Das Team sagte, sein Ziel sei es nicht, das Stromnetz oder die Solarenergie auf dem Dach zu ersetzen, sondern stromsparende Internet-of-Things-Geräte wie Umgebungssensoren und drahtlose Module mit Strom zu versorgen und zu untersuchen, ob Wände sowohl Energiesammel- als auch Feuchtigkeitsregulierungsfunktionen haben könnten.
Bei diesem Prototyp handelt es sich nicht um eine im Handel erhältliche Tapete, sondern er basiert auf etwa 340 Mikrometer dickem Laborchromatographiepapier. Jede etwa 2 cm große Stromerzeugungseinheit im Quadrat ist in drei Bereiche unterteilt: Die Kanten sind mit Glycerin beschichtet, das für die Aufnahme von Wasserdampf aus der Luft verantwortlich ist; der mittlere Bereich enthält Polyvinylpyrrolidon (PVP), das kleinere Poren und ein starkes Wasseraufnahmevermögen nutzt, um Feuchtigkeit nach innen zu leiten; Die Mitte ist mit Wachs behandelt, wodurch flüssiges Wasser nur schwer durchdringen kann, Wasserdampf jedoch dennoch durch die Mikroporen entweichen kann. Die Forscher stellten Elektroden aus Graphittinte her und verbanden die Einheiten über mit Silberpaste gefüllte Laserdurchkontaktierungen, wobei die Schaltkreise auf der Rückseite des Papiers verborgen waren.
Elektrizität entsteht durch einen kontinuierlichen Prozess der Feuchtigkeitsaufnahme, des internen Wassertransports und der zentralen Verdunstung. Wassermoleküle interagieren mit chemischen Gruppen in Glycerin, Cellulose und PVP, um Protonen freizusetzen, wodurch ein Ionenkonzentrationsunterschied zwischen den Rändern und der Mitte entsteht, der die geladenen Teilchen dazu veranlasst, sich zu bewegen und eine Spannung aufzubauen. Anschließend nimmt die Graphitelektrode den Strom auf. Das Team platzierte die hygroskopische Zone an der Peripherie und die Verdunstungszone in der Mitte, sodass sich die Feuchtigkeit gezielt entlang der Oberfläche des Blattes bewegen konnte. Die Wachsschicht ist nicht vollständig versiegelt, sondern blockiert selektiv flüssiges Wasser und lässt Wasserdampf entweichen, um den Feuchtigkeitsgradienten aufrechtzuerhalten.
Unter Testbedingungen von 80 % relativer Luftfeuchtigkeit erzeugt ein einzelnes Gerät eine Spannung von etwa 0,34 Volt mit einer Spitzenleistungsdichte von etwa 2,2 Mikrowatt pro Quadratzentimeter, was etwa 0,55 Mikrowatt pro Quadratzentimeter basierend auf der gesamten Stellfläche der 4 Quadratzentimeter großen Einheit entspricht; Die Leistung bleibt etwa 90 Minuten lang stabil. Je höher die Luftfeuchtigkeit, desto mehr Feuchtigkeit nimmt das Gerät auf und desto stärker ist die Leistung insgesamt. Wenn 10 Einheiten in Reihe geschaltet sind, beträgt die Spannung bei 80 % relativer Luftfeuchtigkeit etwa 2,9 Volt; Bei einer Parallelschaltung von 10 Einheiten beträgt der Strom etwa 240 Mikroampere. In dem Papier wird darauf hingewiesen, dass die Leistungsdichte des gesamten Tapeten-Footprints noch gering ist und das bestehende geometrische Design noch nicht für die Gesamtleistung optimiert wurde.
Das Forschungsteam bildete dann eine größere Gruppe von 1.596 Einheiten, reduzierte die Luftfeuchtigkeit in Innenräumen innerhalb von 15 Minuten auf etwa 32 % bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von etwa 38 % und demonstrierte die Stromversorgung einer drahtlosen Tastatur; Bei der Demonstration wurde ein Kondensator-Energiespeicher verwendet, um Ladung abzugeben, wenn die Tastatur in Betrieb war. In einem kleineren Experiment versorgten 35 Einheiten den Feuchtigkeitssensor etwa 15 Minuten lang mit Strom. Die Forschung testete auch den Feuchtigkeitspuffer in einer 30 × 30 × 15 cm großen versiegelten Box. 28 Geräte reduzierten die Luftfeuchtigkeit in etwa 4 Minuten von 75 % auf 50 %; Das hygroskopische Papier kann Feuchtigkeit an die trockene Luft abgeben, wodurch die Luftfeuchtigkeit in etwa 16 Minuten von 15 % auf 20 % ansteigt. Diese Ergebnisse stammen aus kontrollierten Experimenten und können nicht direkt als langfristige Entfeuchtungs- oder Stromversorgungsfähigkeiten für ein ganzes Haus interpretiert werden.
Das Team hofft, mithilfe von Wachsdruck, Sprühen, Siebdruck und Laserbearbeitung einen Vollprozessdruck zu erreichen, und glaubt, dass es in Zukunft Möglichkeiten für eine Ausweitung der Produktion geben wird. Derzeit wird jedoch immer noch Laborpapier verwendet, und die Forschung muss noch die Haltbarkeit des Produkts, die langfristige Zyklenstabilität oder die tatsächliche Leistung zu Hause unter wechselnden Belüftungsbedingungen nachweisen. Die Forscher wiesen auch darauf hin, dass eine höhere Luftfeuchtigkeit zwar die Feuchtigkeitsaufnahme und die Stromerzeugung steigern kann, bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 90 % bis 95 % jedoch die für die zentrale Verdunstung erforderliche Druckdifferenz des Wasserdampfs schwächer werden kann und die Leistung tendenziell ein Plateau erreicht oder sogar abnimmt.
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