Un dispositif unique transforme l’évaporation en électricité

L’exploitation de l’énergie d’évaporation, un phénomène naturel omniprésent, ouvre des perspectives fascinantes dans le domaine de la production d’énergie renouvelable et de la récupération de chaleur perdue. Cet article explore les avancées récentes dans la compréhension et l’optimisation des dispositifs hydrovoltaïques (HV), capables de transformer le passage d’un fluide sur une surface chargée en électricité.

L’effet hydrovoltaïque repose sur l’établissement d’un flux continu au sein de nanocanaux, qui agissent comme des mécanismes de pompage passifs. Ces dispositifs s’inspirent des microcapillaires des plantes, où le transport de l’eau est assuré par une combinaison de pression capillaire et d’évaporation naturelle. Malgré l’existence de dispositifs HV, la compréhension fonctionnelle des conditions et phénomènes physiques régissant la production d’énergie HV à l’échelle nanométrique reste limitée.

Giulia Tagliabue, à la tête du Laboratoire de Nanoscience pour les Technologies Énergétiques (LNET) de l’École d’ingénierie, et le doctorant Tarique Anwar ont cherché à combler cette lacune. Ils ont utilisé une combinaison d’expériences et de modélisation multiphysique pour caractériser les flux de fluides, les flux d’ions et les effets électrostatiques dus aux interactions solide-liquide, dans le but d’optimiser les dispositifs HV.

« Grâce à notre plateforme novatrice et hautement contrôlée, cette étude est la première à quantifier ces phénomènes hydrovoltaïques en soulignant l’importance des diverses interactions interfaciales. Mais nous avons également découvert que les dispositifs HV peuvent fonctionner sur une large gamme de salinités, contrairement à la croyance antérieure selon laquelle une eau hautement purifiée était nécessaire pour obtenir les meilleures performances », déclare Giulia Tagliabue.

Un modèle multiphysique révélateur

Le dispositif des chercheurs représente la première application hydrovoltaïque d’une technique appelée lithographie colloïdale de nanosphères, qui leur a permis de créer un réseau hexagonal de nanopiliers en silicium espacés avec précision. Les espaces entre les nanopiliers ont créé les canaux parfaits pour l’évaporation des échantillons de fluide, pouvant être finement ajustés pour mieux comprendre les effets du confinement du fluide et de la zone de contact solide/liquide.

« Dans la plupart des systèmes fluidiques contenant des solutions salines, vous avez un nombre égal d’ions positifs et négatifs. Cependant, lorsque vous confinez le liquide dans un nanocanal, seuls les ions de polarité opposée à celle de la charge de surface resteront », explique Tarique Anwar. « Cela signifie que si vous laissez le liquide s’écouler à travers le nanocanal, vous générerez du courant et des tensions. »

« Cela revient à notre découverte majeure selon laquelle l’équilibre chimique pour la charge de surface du nanodispositif peut être exploité pour étendre le fonctionnement des dispositifs hydrovoltaïques sur l’échelle de salinité », ajoute Giulia Tagliabue. « En effet, à mesure que la concentration d’ions du fluide augmente, la charge de surface du nanodispositif augmente également. Par conséquent, nous pouvons utiliser des canaux de fluide plus larges tout en travaillant avec des fluides à plus haute concentration. Cela facilite la fabrication de dispositifs utilisables avec de l’eau du robinet ou de l’eau de mer, par opposition à l’eau uniquement purifiée. »

L’eau, une ressource omniprésente

L’évaporation, pouvant se produire en continu sur une large gamme de températures et d’humidités – et même la nuit –, offre de nombreuses applications potentielles pour des dispositifs HV plus efficaces. Les chercheurs espèrent explorer ce potentiel avec le soutien d’une bourse de démarrage du Fonds National Suisse de la Recherche Scientifique, visant à développer « un tout nouveau paradigme pour la récupération de chaleur perdue et la génération d’énergie renouvable à grande et petite échelle », y compris un module prototype dans des conditions réelles sur le lac Léman.

Les dispositifs HV pourraient théoriquement être exploités partout où il y a du liquide – ou même de l’humidité, comme la sueur – et pourraient donc également être utilisés pour alimenter des capteurs pour des appareils connectés, des téléviseurs intelligents aux dispositifs portables de santé et de fitness. Avec l’expertise du LNET dans la récolte et le stockage de l’énergie lumineuse, Giulia Tagliabue est également désireuse de voir comment les effets lumineux et photothermiques pourraient être utilisés pour contrôler les charges de surface et les taux d’évaporation dans les systèmes HV.

Enfin, les chercheurs voient également d’importantes synergies entre les systèmes HV et la génération d’eau propre. « L’évaporation naturelle est utilisée pour entraîner des processus de dessalement, car de l’eau douce peut être récoltée à partir d’eau salée en condensant la vapeur produite par une surface évaporative. Maintenant, vous pourriez imaginer utiliser un système HV à la fois pour produire de l’eau propre et exploiter l’électricité en même temps », explique Tarique Anwar.

Légende illustration : Image au microscope électronique à balayage des nanopilliers de silicium © Tarique Anwar, LNET EPFL, CC BY SA

Article: « Salinity-dependent interfacial phenomena toward hydrovoltaic device optimization » – DOI: 10.1016/j.device.2024.100287