要約:
ニューヨーク州立大学ビンガムトン校の研究チームは、空気中の湿気を吸収し、室内の湿度変化を緩和しながら少量の電気を生成する、紙ベースの「湿電性」壁紙を開発しました。関連する研究は「Advanced Energy Materials」に掲載されました。同チームによると、目標は送電網や屋上の太陽光発電を置き換えることではなく、環境センサーや無線モジュールなどの低電力モノのインターネットデバイスに電力を供給し、壁にエネルギー収集と湿度調整の両方の機能を持たせることを検討することだという。
このプロトタイプは市販の壁紙ではなく、厚さ約 340 ミクロンの実験室用クロマトグラフィー紙をベースにしています。約2cm四方の発電ユニットはそれぞれ3つのエリアに分かれている。端は空気中の水蒸気を吸収するグリセリンでコーティングされている。中央領域にはポリビニルピロリドン (PVP) が含まれており、小さな孔と強力な吸水能力を利用して湿気を内部に導きます。中心部はワックスで処理されており、液体の水は通過しにくくなっていますが、水蒸気は微細孔から逃げることができます。研究者らはグラファイトインクで電極を作成し、紙の裏に回路を隠した銀ペーストを充填したレーザービアを介してユニットを接続した。
電気は、吸湿、内部水輸送、中央蒸発という連続プロセスから発生します。水の分子がグリセリン、セルロース、PVP の化学基と相互作用してプロトンを放出し、端と中心の間にイオン濃度差を形成し、荷電粒子の移動を促して電圧を確立し、グラファイト電極が電流を収集します。研究チームは、吸湿ゾーンを周囲に、蒸発ゾーンを中央に配置し、水分がシートの表面に沿って方向に移動できるようにしました。ワックス層は完全に密閉されているわけではありませんが、液体の水を選択的に遮断し、水蒸気を逃がして湿度勾配を維持します。
相対湿度 80% のテスト条件下で、単一ユニットは約 0.34 ボルトの電圧を生成し、ピーク電力密度は平方センチメートルあたり約 2.2 マイクロワットです。これは、ユニットの 4 平方センチメートル全体の設置面積に基づくと平方センチメートルあたり約 0.55 マイクロワットになります。出力は約 90 分間安定したままになります。湿度が高くなると、ユニットがより多くの湿気を吸収し、全体的な出力が強くなります。 10 台のユニットを直列に接続すると、相対湿度 80% での電圧は約 2.9 ボルトになります。 10 台のユニットを並列接続すると、電流は約 240 マイクロアンペアになります。この論文は、壁紙の設置面積全体の電力密度がまだ低く、既存の幾何学的デザインが総出力に対してまだ最適化されていないことを指摘しています。
研究チームはその後、1,596 個のユニットからなるより大きなアレイを形成し、相対湿度約 38% で室内湿度を 15 分以内に約 32% まで下げ、ワイヤレス キーボードへの電力供給を実証しました。デモンストレーションでは、キーボードの動作時に充電を解放するためにコンデンサのエネルギー貯蔵を使用しました。小規模な実験では、35 台のユニットが湿度センサーに約 15 分間電力を供給しました。研究では、30 × 30 × 15 cm の密閉ボックス内で湿度バッファーもテストしました。 28 台のユニットは約 4 分で湿度を 75% から 50% に下げました。吸湿性紙は乾燥した空気中に湿気を放出し、約 16 分で湿度が 15% から 20% に上昇します。これらの結果は、対照実験から得られたものであり、家全体の長期的な除湿能力や電力能力として直接解釈することはできません。
チームは、ワックス印刷、スプレー、スクリーン印刷、レーザー加工を使用してフルプロセス印刷を実現したいと考えており、将来的には生産を拡大する機会があると考えています。しかし現在、実験用の紙が依然として使用されており、製品グレードの耐久性、長期サイクル安定性、さまざまな換気条件下での実際の家庭での性能は研究で実証されていません。研究者らはまた、湿度が高くなると吸湿量と発電量が増加する可能性があるが、相対湿度が90％から95％に近づくと、中心蒸発に必要な水蒸気圧の差が弱まり、出力が頭打ちになる、あるいは低下する傾向がある可能性があるとも指摘した。
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