Générateur d'énergie électrique entraîné par pression exploitant un micro

Nov 28, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16827 (2022) Citer cet article

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Détails des métriques

Nous avons démontré un dispositif de récupération d'énergie à pression utilisant de l'eau et qui comporte un filtre en verre avec des canaux poreux. Nous avons utilisé le frittage de poudre pour fabriquer le filtre en verre (2 cm de diamètre, 3 mm d'épaisseur) en tassant une poudre de particules de verre borosilicaté dans un moule en carbone puis en le fusionnant thermiquement à 700 ° C sous pression. Dans une expérience à débit constant, le rayon moyen optimal des pores du filtre pour la production d'énergie était de 12 μm. À l'aide de ce filtre, une puissance de 3,8 mW (27 V, 0,14 mA, 0,021 % d'efficacité énergétique) a été générée à une vitesse d'écoulement de l'eau de 50 mm/s. Dans une expérience à pression constante, un générateur de puissance a été équipé d'une unité de presse à pied avec un poids de 60 kg (830 kPa) et 50 ml d'eau. Le rayon moyen optimal des pores pour la production d'énergie dans cette expérience était de 12 μm et une puissance de 4, 8 mW (18 V, 0, 26 mA, 0, 017% d'efficacité énergétique) a été générée avec une durée de 1, 7 s. C'était assez de puissance pour un éclairage LED direct et les condensateurs pouvaient stocker suffisamment d'énergie pour faire tourner un ventilateur et faire fonctionner un communicateur sans fil. Notre appareil à pression est adapté à la récupération d'énergie à partir de mouvements lents comme certaines fonctions physiologiques humaines, par exemple la marche.

La récupération d'énergie est une technologie prometteuse pour alimenter plusieurs petits appareils électroniques dans la future société de l'Internet des objets (IoT)1. Les énergies lumineuses, thermiques et mécaniques sont généralement utilisées pour la récupération d'énergie. Parmi eux, la récupération d'énergie mécanique qui obtient de l'énergie électrique à partir de mouvements mécaniques d'oscillation et de vibration est assez familière à tout le monde et de grandes quantités d'énergie peuvent être obtenues2,3. Par exemple, des dispositifs à induction électromagnétique4,5,6, des dispositifs piézoélectriques (matériau électromécanique)7,8,9,10,11 et des dispositifs électrostatiques12,13,14 ont été développés et utilisés. Cependant, les dispositifs à induction électromagnétique miniaturisés ont généralement un faible rendement, ce qui n'est pas souhaitable. Les dispositifs piézoélectriques ou les dispositifs électrostatiques peuvent être miniaturisés, mais le rendement de conversion est diminué lorsque la fréquence de vibration est faible (par exemple inférieure à 10 Hz). Il est donc difficile pour ces dispositifs d'exploiter pleinement les mouvements physiologiques lents réguliers d'un être humain, par exemple la marche.

Dans cet article, nous nous concentrons sur les phénomènes se produisant dans un dispositif de génération d'énergie électrique entraîné par pression par l'interaction entre l'eau pure et un solide chargé en surface (un filtre en verre). Le principe détaillé est expliqué ci-dessous. Cette approche est utile pour les vibrations à faible fréquence car la génération d'énergie se poursuit tant qu'il y a de l'eau dans l'appareil. Il y a eu des rapports sur des dispositifs de production d'énergie basés sur ce principe qui utilisent du silicium recouvert de verre15, un composite métal-carbone16 ou de la cellulose17. Cependant, il est difficile d'appliquer une forte pression sur ces matériaux en raison de leur fragilité, et donc la puissance qu'ils peuvent générer n'est pas si élevée.

D'autre part, le verre est dur et robuste et une forte pression peut lui être appliquée. Il y a eu des rapports de production d'énergie à pression d'eau utilisant des canaux de verre fabriqués par des méthodes de fabrication micro ou nano descendantes18,19,20,21. Cependant, de tels dispositifs de génération d'énergie ne sont pas assez puissants pour la récupération d'énergie car le courant généré par canal est généralement très faible (de l'ordre du picoampère).

Nous avons utilisé du verre poreux pour augmenter le nombre de canaux de pores sur la base d'une enquête et d'une optimisation du processus de fabrication du dispositif. Bien que le verre poreux ait été utilisé auparavant pour la production d'électricité22, la puissance est encore faible car la fabrication d'un filtre en verre poreux n'a pas été optimisée pour la production d'électricité. De nombreuses technologies existent pour fabriquer de nombreux types de dispositifs microfluidiques à base de verre23. Sur la base de ces concepts et technologies, notre objectif dans cette étude était d'étudier l'effet de la taille des pores sur les performances de génération et de développer un dispositif de récupération d'énergie réel composé d'un filtre en verre poreux et d'une unité de presse à pied pour transférer la force du pied d'un expérimentateur en appuyant sur le générateur de puissance pour démontrer la récupération d'énergie réelle.

Une méthode de génération d'énergie similaire, la génération d'énergie osmotique par des membranes nanoporeuses, est bien connue24. Cette méthode extrait la puissance du mélange de solutions salines de différentes concentrations à l'aide d'un matériau nano poreux comprenant du carbone25, de l'oxyde d'aluminium26 ou du nitrure de silicium27. La différence importante est que la génération d'énergie osmotique nécessite un gradient de concentration d'ions et la pression externe ne peut pas être utilisée.

Le principe de la génération d'énergie électrique par la pression de l'eau est illustré à la Fig. 1a. On suppose que de l'eau pure s'écoule dans les canaux de verre de taille nano ou micro. Les molécules d'eau sont partiellement dissociées par l'équilibre thermique et ionisées en protons (H+) et en ions hydroxyle (OH-). Lorsque l'eau est introduite dans de petits canaux, il est facile pour H+ qui est produit d'entrer dans les canaux, mais il n'est pas facile pour OH− d'y entrer. Cela est dû au fait que la surface du canal de verre est chargée négativement en raison des groupes silanol à la surface après que les espèces H+ se sont détachées dans l'eau. En conséquence, la concentration en H+ augmente à la sortie tandis que la concentration en OH− augmente à l'entrée. A savoir, le canal en verre fonctionne comme un filtre ionique si la taille du canal est très petite.

Conception et principe du générateur d'énergie électrique entraîné par pression utilisant un filtre en verre poreux. (a) Principe de génération électrique par pression dans un canal de verre à l'échelle micro à nano. Les phénomènes pour ces schémas du haut et du bas se produisent en même temps. Paramètres utilisés dans Eqs. (1) et (2) sont également définis. (b) Conception en coupe du prototype de groupe électrogène.

Dans cette situation, le transfert d'énergie électrique se produit en connectant électroniquement l'entrée et la sortie par un fil. A l'électrode d'entrée, OH- forme des molécules d'oxygène et d'eau et produit des électrons. A l'électrode de sortie, H+ capte des électrons et forme des molécules d'hydrogène. Le courant passe par ces réactions. Une fois que les ions ont réagi et sont consommés dans les générations de molécules de gaz, de nouveaux ions sont produits à partir de l'eau restante pour maintenir l'équilibre thermique. Si les molécules d'hydrogène et d'oxygène gazeux produites peuvent être recombinées sous forme d'eau par une réaction catalytique, ce cycle de réaction peut se produire en continu, et les gaz peuvent également être utilisés comme source d'énergie. En réalité, les quantités d'hydrogène et d'oxygène gazeux générées ne sont pas importantes (typiquement inférieures à l'ordre du nanogramme pour un cycle de réaction se déroulant sur plusieurs minutes). Par conséquent, dans ce rapport, nous avons utilisé l'énergie électrique générée par un filtre ionique.

Théoriquement, la tension de génération (V) est décrite par Eq. (1), l'équation de Helmholtz-Smoluchowski28 :

où ε est la permittivité, ξ est le potentiel zêta, µ est la viscosité, K est la conductivité de l'eau et ΔP est la pression appliquée. Puisque ε, ξ, µ et K sont des paramètres fixes déterminés par les propriétés de la surface et de l'eau et non liés à la géométrie du canal, V est simplement proportionnel à ∆P. De plus, ΔP est décrit par l'Eq. (2), la loi Hagen-Poiseuille29 :

où D est le diamètre relatif du canal, L est la longueur du canal et Q est le débit. À partir des éqs. (1) et (2), il est clair que D doit être plus petit pour améliorer la tension si Q est constant. Pour améliorer les performances de production d'énergie, des canaux parallèles plus petits doivent être conçus avec une surface aussi grande que possible. Dans ce contexte, l'utilisation de verre poreux est un choix de conception rationnel.

La figure 1b montre la conception d'un prototype de dispositif générateur de puissance. Un anneau de garniture en caoutchouc a été utilisé pour ajuster étroitement un filtre en verre poreux (2 cm de diamètre et 3 mm d'épaisseur) dans un porte-filtre disponible dans le commerce qui avait été légèrement modifié (par exemple, l'ouverture pour la fixation du tube a été rasée pour l'agrandir). Une électrode à mailles de cuivre a été placée au-dessus et au-dessous du filtre en verre. Les tubes d'entrée et de sortie ont été fixés à l'aide de colle époxy aux endroits indiqués sur la figure.

Nous avons d'abord établi le processus de fabrication du filtre en verre poreux, puis étudié la structure pour diverses conditions de fabrication. Les détails de fabrication sont décrits dans la Fig. 2a et la section Méthodes. Nous avons utilisé le frittage de poudre en emballant une poudre de particules de verre borosilicaté dans un moule en carbone et en la fusionnant thermiquement sous pression appliquée à partir d'un poids, comme illustré à la Fig. 2b – d. Bien que la fabrication au laser30,31,32 soit couramment utilisée pour fabriquer des filtres en verre, le frittage est plus simple et fournit des filtres robustes avec un grand nombre de canaux. Une plaque filtrante en verre borosilicaté (diamètre de 2 cm) a été fabriquée (Fig. 2e). Normalement, pour un collage étanche par fusion thermique du verre, une température de 750 °C est utilisée33,34. Cependant, à cette température, les particules de verre borosilicate ont complètement fondu et sont devenues grises et aucune eau ne pouvait les traverser. Sur la base de nos expériences précédentes35,36 le verre et le verre peuvent être collés l'un à l'autre si une pression est appliquée même à une température plus basse et nous avons utilisé ici les températures de frittage de 680 à 720 °C. Dans ces conditions, nous avons obtenu de bons filtres en verre sans décoloration due à la dégradation. Cependant, l'observation au microscope a montré que le bord des particules de verre était légèrement fondu à 710 et 720 ° C (Fig. 2f). De plus, le filtre était plutôt fragile lorsqu'il était fritté à 680 et 690 °C.

Fabrication et étude de structure de filtres en verre poreux. (a) Procédure de fabrication des filtres en verre. (b) Moule en carbone pour fabriquer des filtres en verre. (c) Un trou dans le moule est rempli de poudre de verre. (d) Installation dans un four avec un poids d'alumine. (e) Filtre en verre fabriqué. ( f ) Images SEM de surfaces de filtres en verre poreux après frittage à la température indiquée en haut de chaque image. (g) Résultats de la porosimétrie au mercure des filtres en verre poreux frittés à différentes températures. Les lignes noires et rouges indiquent le volume des pores par masse (V) et la distribution du rayon des pores (R) (dérivation de V par R), respectivement. ( h ) Images SEM des surfaces de filtre en verre poreux frittées à 700 ° C en utilisant de la poudre de verre broyé et le temps de broyage indiqué en haut de chaque image. (i) Résultats de la porosimétrie au mercure des filtres en verre poreux frittés à 700 ° C en utilisant de la poudre de verre broyé et le temps de broyage indiqué en haut de chaque image. Les barres d'échelle sont affichées dans les images SEM de (f) et (h).

La distribution de la taille des pores a été mesurée par porosimétrie au mercure pour des filtres préparés à différentes températures de frittage et les résultats sont représentés sur la figure 2g. Le pic de la distribution de la taille des pores n'était pas si différent à différentes températures. A toutes les températures, le pic était à 20 μm (rayon moyen des pores). Mais la hauteur du pic diminuait lorsque la température était plus élevée. Cela signifiait que les pores étaient remplis de verre fondu lorsque la température de frittage était augmentée. Compte tenu des résultats et pour éviter la fragilité, nous avons conclu que la température de frittage optimale était de 700 °C. Nous avons ensuite utilisé cette condition pour étudier l'effet de la taille des particules dans la fabrication du filtre en verre.

Pour contrôler la taille des particules de verre, les particules ont été broyées. Les images au microscope électronique à balayage (SEM) et les histogrammes de diamètre des particules broyées avec différents temps de broyage sont illustrés à la Fig. S1. Le diamètre moyen de Féret, défini comme la distance entre deux plans parallèles limitant l'objet perpendiculairement à cette direction, pouvait être contrôlé entre 4 et 150 μm.

Les particules broyées ont été utilisées pour fabriquer des filtres en verre avec frittage à 700 °C. À partir des images SEM (Fig. 2h), nous avons vu que la plupart des particules conservaient leur forme, bien que de petites particules aient été partiellement fondues, en particulier lors de temps de broyage plus longs. Cela était cohérent avec les résultats de la distribution de la taille des pores (Fig. 2i). Aux temps de broyage de 0, 5, 10, 20 et 30 min, il y avait des pics à 20, 12, 8, 5 et 1 μm (rayon moyen des pores), respectivement. Au temps de broyage de 40 min, il était difficile de trouver un pic. Cela indiquait que la taille des pores devenait petite lorsque le temps de broyage augmentait, mais que le volume des pores (hauteur du pic) diminuait en raison de la fusion des petites particules. Surtout à des temps de broyage de 30 et 40 min, les tailles de pores étaient à l'échelle du nanomètre et la hauteur du pic était très petite. Ces propriétés sont profondément liées aux performances de production d'énergie électrique que nous avons ensuite étudiées.

À l'aide des filtres en verre poreux fabriqués, nous avons démontré le générateur d'énergie électrique et étudié l'effet de la taille des pores à l'aide d'un système de distribution d'eau à vitesse constante (Figs. 3a à c). Le générateur de puissance a été construit en plaçant un filtre en verre dans un porte-filtre commercial modifié et en insérant les électrodes au-dessus et en dessous du filtre (Fig. S2). Toutes les expériences utilisant le système de distribution d'eau ont été réalisées à température ambiante. De l'eau pure désionisée produite à l'aide d'un système Milli-Q a été introduite dans le générateur et une tension a été générée (Fig. 3d). La génération de tension répétitive a également été confirmée. Une légère baisse de tension a été observée, mais c'est probablement parce que nous avons recyclé l'eau. Le nombre de mailles et la distance entre le filtre en verre et l'électrode à mailles ont été optimisés et ces résultats sont résumés à la Fig. S3.

Caractérisation des performances de production d'énergie des filtres en verre fabriqués. (a) Configuration pour la caractérisation des filtres en verre. L'eau est introduite dans le générateur par le système de distribution d'eau et elle est mise en circulation à l'aide de clapets anti-retour. La tension mesurée est enregistrée par un PC via une carte E/S. (b) Photo du générateur équipé du filtre en verre et des électrodes. (c) Photo du système de distribution d'eau. ( d ) Évolution de la tension de la génération d'énergie répétitive à l'aide du filtre fritté à 700 ° C et d'un temps de broyage de poudre de verre de 5 min. La vitesse du système de distribution d'eau était de 20 mm/s. (e) Évolution de la tension à l'aide des filtres en verre poreux frittés à la température indiquée en haut de chaque graphique. Chaque graphique montre la tension pendant 3 cycles de pressage à des vitesses du système de distribution d'eau de 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40 et 50 mm/s. (f) Tension, courant et puissance estimée des générateurs en fonction de la température de frittage des filtres en verre à la vitesse du système de distribution d'eau de 50 mm/s. Les tracés de tension et de courant représentent la moyenne ± SD (n = 3). ( g ) Évolution de la tension à l'aide des filtres en verre poreux frittés à 700 ° C avec un rayon de pore moyen indiqué en haut de chaque graphique. Les conditions de distribution d'eau étaient les mêmes qu'en (e). (h) Tension, courant et puissance estimée des générateurs par rapport au rayon moyen des pores. Les tracés de tension et de courant représentent la moyenne ± SD (n = 3).

Comme le montrent les figures 3e et f, la tension était proportionnelle à la vitesse du débit d'eau. À la même vitesse, les performances de génération de tension étaient presque égales avec les filtres frittés à 680, 690 et 700 °C, mais elles diminuaient pour les filtres frittés à 710 et 720 °C. Cela signifiait que les petits pores disparaissaient à des températures de frittage plus élevées. Le courant a été mesuré à partir de la pente de la tension enregistrée dans un condensateur pendant l'écoulement de l'eau (Fig. S4). Ce courant généré avait la même tendance que la tension, bien que les performances de pointe aient été observées pour le filtre fritté à 700 ° C. C'était simplement parce que le nombre de petites tailles de pores augmentait avec l'augmentation de la température jusqu'à 700 ° C, mais à des températures plus élevées, les pores étaient presque complètement fermés. La tension, le courant et la puissance calculés par le produit de la tension et du courant présentaient des pics (respectivement 11 V, 74 μA et 0,80 mW) pour le filtre fritté à 700 °C. À partir de ce résultat, nous avons jugé que la température de frittage de 700 °C donnait le filtre optimal pour le générateur de puissance.

Ensuite, les filtres fabriqués à partir de particules broyées frittées à 700 ° C ont été utilisés pour l'expérience de génération d'énergie. Comme le montrent les figures 3g et h, le filtre fabriqué en utilisant le temps de broyage de 5 min (rayon moyen des pores de 12 µm) a fourni les valeurs de tension, de courant et de puissance de crête de 27 V, 0, 14 mA et 3, 8 mW, respectivement.

Nous avons également analysé en détail les performances du générateur d'électricité à l'aide des résultats de mesure de force pour évaluer la validité des données de la méthode de génération basée sur la pression de l'eau. La force et la pression appliquées à la seringue par le système de distribution d'eau ont été mesurées par un transducteur de force et les résultats sont présentés à la Fig. S5. La force était généralement proportionnelle à la vitesse et à la finesse du filtre.

D'après ces résultats, il était raisonnable que la tension générée augmente pour les filtres fabriqués sans fraisage (rayon moyen des pores de 20 μm) à 5 min de temps de fraisage (rayon moyen des pores de 12 μm) conformément à l'incrément de pression selon les équations. (1) et (2), mais la tension générée a diminué pour les filtres fabriqués avec des temps de broyage plus longs en raison de la fermeture des pores. Surtout pour les temps de broyage de 30 min ou plus (rayon moyen des pores de 5 μm ou moins), les filtres ne pouvaient pas résister à la pression et ils se sont cassés pendant l'expérience. Donc, nous n'avions pas de données pour ces conditions. Une autre raison peut être que les propriétés électriques de l'eau dans les canaux sub-microscopiques sont différentes de celles dans un espace en vrac37,38. Considérant une force appliquée de 350 N à l'eau et la vitesse de poussée de la seringue (50 mm/s), l'efficacité de puissance maximale à l'aide d'un filtre fabriqué avec un temps de broyage de 5 min (rayon moyen des pores de 12 μm) a été calculée à 0,021 %.

Bien que le générateur de puissance ait été vérifié dans la section précédente, nous craignions que le courant ne soit généré par des impuretés incluses dans le verre borosilicaté. Pour confirmer que la génération n'était causée que par l'interaction entre la surface du verre et l'eau, nous avons utilisé des particules de silice fondue qui ne contenaient presque aucune impureté pour le filtre. Le résultat est résumé dans la Fig. S6. Le filtre en silice fondue fabriqué est illustré à la Fig. S6b. Bien que ce filtre soit plus fragile que les filtres en verre borosilicaté, il pourrait être utilisé pour une expérience de génération d'énergie à faible débit d'eau inférieur à 20 mm/s. La génération de tension répétitive a été confirmée et le débit d'eau était régulier, comme le montrent les données de mesure de la force (Fig. S6d). À partir de ces résultats, nous avons confirmé que la génération d'énergie électrique n'était pas causée par des impuretés dans le verre borosilicaté.

À la suite des recherches fondamentales des sections précédentes, nous avons fabriqué un prototype de dispositif de génération d'énergie avec une unité de presse à pied, comme indiqué sur les figures 4a à c. La puissance et la durée continue de la génération ont été mesurées. L'unité de presse à pied (Fig. 4b) comprenait une seringue et son support, un support pour le groupe électrogène et un couvercle ; et l'unité a été conçue pour transférer facilement et efficacement la force externe appliquée à l'eau dans la seringue. Nous avons introduit 50 ml d'eau pure déionisée (eau Milli-Q) dans la seringue qui était placée dans l'unité. Un poids d'environ 60 kg (588 N, correspondant à une pression de 830 kPa) était appliqué lorsqu'un expérimentateur appuyait sur cet appareil avec le pied (Fig. 4c). La méthode de mesure électrique et d'enregistrement était la même que celle utilisée pour l'expérience d'effet de taille.

Démonstration et application du générateur d'énergie électrique équipé d'une unité de presse à pied. (a) Un circuit pour le stockage de condensateurs et les applications de commande de dispositifs. Un générateur a été connecté aux ports 0 et 1. Pour les applications d'économie d'énergie, le générateur a été utilisé sans connecter les ports 2 et 3. (b) Schémas montrant le mouvement de travail de l'unité de presse à pied. (c) Photo de l'unité de presse à pied. ( d ) Évolution de la tension à l'aide de filtres en verre poreux frittés à 700 ° C avec de la poudre de verre broyé pour le rayon moyen des pores indiqué en haut de chaque graphique. Chaque graphique montre la tension pendant 1 cycle de pressage en utilisant un poids de 60 kg (pressage au pied par un expérimentateur) à partir d'environ 2 s. (e) Tension, courant, durée de production d'énergie, puissance et énergie estimées du générateur par rapport au rayon moyen des pores. Les tracés de tension et de courant représentent la moyenne ± SD (n = 3). (f) Application d'un éclairage LED direct en connectant la LED au générateur (sans interrupteur ni condensateur). La photo du haut montre la configuration globale et les 2 photos du bas sont avant et après la pression du pied. (g) Application à l'entraînement d'un rotateur par économie d'énergie dans le condensateur. La photo du haut montre la configuration globale et les 2 photos du bas montrent le rotateur (ventilateur) et l'écran d'affichage du multimètre qui donne la tension accumulée dans le condensateur avant et après avoir allumé l'interrupteur pour libérer l'énergie dans le condensateur. (h) Application à un outil de communication sans fil utilisant l'énergie stockée dans le condensateur. Après accumulation d'énergie, l'outil de communication envoie automatiquement un signal au PC. La photo en haut à droite montre la configuration globale et la photo en haut à gauche est une image agrandie du condensateur et de l'expéditeur. Les photos du milieu et du bas sont des captures d'écran générées par le logiciel pour confirmer la réception et l'envoi du signal.

L'unité de presse à pied était entraînée en douceur par les mouvements de pression du pied de l'expérimentateur et pouvait être utilisée en continu au moins 100 fois au cours d'une expérience. Les 50 ml d'eau ont été utilisés à plusieurs reprises en les récupérant à chaque fois après avoir terminé le mouvement de pressage jusqu'à 50 fois dans une expérience. Les figures 4d et e montrent les résultats expérimentaux de la production d'énergie. La tension a augmenté immédiatement après l'application de la pression (à t = 2–3 s) et est tombée à zéro lorsque toute l'eau de la seringue a été vidée. La tension et le courant générés ont culminé à l'aide du filtre fabriqué avec un temps de broyage de 5 min (rayon moyen des pores de 12 μm). C'était le même résultat que celui obtenu pour l'expérience utilisant le système de distribution d'eau à vitesse constante. Cependant, la durée de la génération d'énergie augmentait lorsque le temps de broyage augmentait, car cette expérience utilisait une pression constante pour la génération (la pression du pied de l'expérimentateur). À l'inverse, le débit a diminué lorsque la taille des pores est devenue plus petite (Fig. S7a). Ainsi, compte tenu de la durée, le graphique de l'énergie récoltée en fonction du temps de broyage avait un pic décalé vers la droite par rapport au graphique de puissance (Fig. 4e). La tension, le courant et la puissance avaient des pics de 18 V, 0,26 mA et 4,8 mW, respectivement, pour le filtre fabriqué avec le temps de broyage de 10 min (rayon moyen des pores de 8 μm). Puisque l'énergie a été générée pendant une durée de 1,7 s pour ce filtre, l'énergie récoltée était de 6,8 mJ. Compte tenu de la force appliquée (588 N) et du déplacement de poussée de la seringue (70 mm), nous avons calculé que l'efficacité de puissance maximale pour le filtre fabriqué avec le temps de broyage de 10 min (rayon moyen des pores de 8 μm) était de 0,017 %.

Pour démontrer que la puissance obtenue était capable de piloter des circuits et des appareils électroniques, nous avons effectué un test d'éclairage à diode électroluminescente (DEL), un test de rotation du ventilateur et un test d'outil de commination sans fil. Tout d'abord, une lumière LED a été éclairée via une connexion directe sans utiliser de condensateur. La configuration expérimentale est illustrée à la Fig. 4f et au film supplémentaire 1. Le temps de pressage pour extraire toute l'eau stockée de la seringue à travers le filtre en verre était d'environ 2 s. La LED s'est allumée pendant ce temps de pressage. Cette application est facile à comprendre et peut être utilisée pour l'éclairage lorsqu'une personne marche dans un endroit sombre.

Un mini-ventilateur a été assemblé à partir d'un mini-moteur et d'autres pièces imprimées en 3D et, de la même manière que l'éclairage LED, a été entraîné comme indiqué sur la figure 4g. Mais contrairement à l'éclairage LED, plus d'électricité était nécessaire pour la rotation du ventilateur. Par conséquent, nous avons utilisé un condensateur avec une grande capacité (4700 µF) et le condensateur a été chargé par des presses de 50 pieds. La tension stockée dans le condensateur a été mesurée à 5,2 V. Le générateur de puissance du filtre en verre a produit suffisamment d'électricité pour faire tourner le mini ventilateur. Des résultats expérimentaux connexes sont donnés dans le film supplémentaire 2. Nous avons démontré qu'il était possible de piloter quelque chose comme le mini ventilateur, qui pourrait être utilisé pour le refroidissement lorsqu'une personne marche.

Enfin, un outil de communication sans fil a été piloté comme illustré sur la figure 4h ; ces outils sont largement utilisés pour la surveillance intelligente en envoyant constamment un signal sur l'environnement immédiat qui inclut les changements de température, de lumière et de mouvement39. Le générateur de signal était attaché à un condensateur (2200 µF) et il envoyait automatiquement le signal après que l'énergie (environ 0,2 V) y ait été stockée. Lorsque l'unité de presse à pied a été piétinée deux fois, l'outil de communication sans fil a transmis des signaux au récepteur de signal qui ont été surveillés par le PC. Le mouvement de capture de signal réel est montré dans le film supplémentaire 3. Lorsqu'un kit sans fil composé d'un générateur de signal et d'un condensateur était alimenté par le dispositif de génération d'énergie du filtre en verre, il déclenchait simultanément des signaux et les envoyait au récepteur. Une fois les signaux reçus, leur réception était reflétée sur le moniteur jusqu'à ce que toute la tension dans le condensateur ait été consommée. Nous avons envoyé des signaux sur une distance de 3 m dans cette expérience. Cette application serait pratique pour la surveillance de la santé personnelle.

Selon le principe de la génération électrique, des gaz d'hydrogène et d'oxygène sont générés. Ici, nous avons estimé le volume généré. La quantité de substance d'hydrogène (nh) peut être calculée par Eq. (3):

où I est le courant, t est la durée de production d'énergie et F est la constante de Faraday (9,6 × 104 C/mol). Dans l'expérience de presse à pied, le plus grand courant (I) était de 0,26 mA et la durée correspondante (t) était de 1,7 s. Dans cette condition, nh a été calculé comme 24 nmol (48 ng). La quantité de substance d'oxygène (non) était la moitié de nh qui a été calculée comme 12 nmol (380 ng). Étant donné que le volume d'eau dans cette expérience était de 50 ml, les concentrations d'hydrogène et d'oxygène ont été estimées à 0,96 ppb et 7,7 ppb, respectivement. Ces faibles concentrations sont difficiles à mesurer même en utilisant des dispositifs de surveillance de gaz disponibles dans le commerce avec une sensibilité élevée. Pour mesurer les gaz, le courant doit être augmenté de manière significative.

Cependant, il est important de confirmer que la génération actuelle n'a pas été causée par d'autres raisons (par exemple des vibrations ou du bruit). Par conséquent, nous avons obtenu les données du contrôle négatif. La tension générée en appliquant une pression de 830 kPa à l'aide de l'unité de presse sans filtre en verre dans le générateur est illustrée à la Fig. S7b. Il était de 0,12 ± 0,04 V (n = 3, ± SD) et significativement plus petit que les données avec des filtres en verre. A partir de ce résultat, le principe de la génération a été confirmé.

De plus, nous avons étudié l'influence du débit sur la résistance d'un filtre en verre. Si la résistance change de manière significative en raison du débit, le courant peut ne pas être mesuré correctement en raison du courant de fuite. La simulation a été ajoutée à la Fig. S8. Il montre que la résistance était presque la même indépendamment de la présence ou de l'absence de flux. De plus, la résistance électrique a été réellement mesurée à l'aide de l'unité de presse et du filtre avec un rayon de pore moyen de 8 μm. La résistance sans et avec débit (35 mL/s) était de 1,50 ± 0,14 MΩ (n = 3, ± SD) et de 1,41 ± 0,10 MΩ (n = 3, ± SD). Aucune différence significative n'a été observée. De plus, par rapport à la résistance du circuit externe calculée à partir de la tension et du courant mesurés sur la figure 4e (68 kΩ), la résistance du filtre était suffisamment grande pour empêcher le courant de fuite. De ces résultats, nous avons conclu que le débit n'influence pas la résistance électrique.

La performance maximale du générateur d'énergie électrique entraîné par pression dans cette expérience utilisant l'unité de presse à pied était de 4,8 mW (18 V, 0,26 mA, 0,02 % d'efficacité énergétique), avec une durée de 1,7 s lors de l'utilisation du filtre avec une taille de pore moyenne de 8 μm qui avait été frittée à 700 °C. Nous avons comparé les performances avec celles des dispositifs de récupération d'énergie mécanique rapportés précédemment. Le tableau 1 les résume dans une comparaison du principe, du matériau et des performances avec un accent particulier sur la comparaison entre les appareils ayant le même principe d'être entraînés par la pression de l'eau.

Le dispositif électromagnétique6 génère une grande puissance, mais il a une grande taille. Les dispositifs piézoélectriques8 et électrostatiques14 sont plutôt petits, mais la durée de génération d'énergie est courte. Par conséquent, il est difficile de les utiliser pour des mouvements de longue période (c'est-à-dire supérieure à 1 s). D'autre part, la durée de génération d'énergie de notre appareil est longue car la génération continue tant qu'il reste de l'eau dans l'appareil. Parmi les approches de génération basées sur la pression de l'eau, les matériaux autres que le verre, notamment le silicium enrobé de verre15, le composite métal-carbone16 ou la cellulose17, ne peuvent fournir qu'une faible puissance (moins de quelques microwatts) car une pression élevée ne peut pas être appliquée en raison de la fragilité des matériaux, et donc les tensions générées ne sont pas si élevées (moins de 1 V).

La plupart des centrales électriques conventionnelles avec le même principe ont utilisé les micro ou nanocanaux fabriqués par photolithographie18,19,20,21. La génération d'énergie des dispositifs utilisant des canaux de verre réalisés par photolithographie est beaucoup plus faible (moins de 1 μW). Même si le verre peut supporter des pressions élevées et donc des tensions plus élevées peuvent être générées que par d'autres matériaux, les courants sont très faibles (quelques microampères ou moins). L'objectif principal de ces études est d'étudier les propriétés des surfaces et des fluides. A cet effet, il est important de définir la géométrie des canaux par photolithographie, mais le courant est faible du fait de la difficulté d'intégration 3D des canaux. Il existe également un rapport utilisant un filtre en verre fritté22. Cependant, cette étude a utilisé un filtre disponible dans le commerce. Ce n'est pas optimisé pour la production d'électricité. Par conséquent, la tension était faible (22 mV), et par conséquent la puissance était encore faible (20 nW) en partie à cause de la fragilité du verre poreux. D'autre part, nous avons fabriqué des filtres en verre à partir de zéro. Nous avons appliqué la technique de liaison verre-verre à basse température en appliquant une pression pendant le processus de frittage35,36, et avons réussi à fabriquer des filtres en verre robustes utilisables même à une pression de fluide de 830 kPa. Par conséquent, la puissance générée s'est améliorée sur 4 ordres de grandeur.

Dans l'ensemble, nous avons fabriqué un générateur d'énergie électrique à l'aide d'un filtre en verre poreux pour lequel nous avons optimisé le processus de fabrication, et nous avons démontré la génération d'énergie pendant plus de 1 s. C'est suffisant pour les utilisations normales du circuit telles que la puissance de condensation par des condensateurs ou l'augmentation de la tension, et par conséquent, nous avons démontré l'utilité en tant que générateur de récupération d'énergie. Ce système peut être un modèle prototype pour un générateur d'énergie électrique comme source d'énergie pour divers dispositifs d'interface humaine basés sur un système de conversion de comportement mécanique humain. Ce système utilise un actionnement à basse fréquence comme source d'énergie, il s'agit donc d'une source d'énergie propre et sûre avec de nombreuses applications futures possibles.

De plus, cette génération à base d'ions est fondamentalement similaire à notre générateur de rayons électriques précédemment démontré40. Ce générateur utilisait des organes électriques du rayon intégrant un certain nombre de pompes ioniques (protéines membranaires) faisant passer des ions spécifiques utilisant l'adénosine triphosphate (ATP) comme source d'énergie pour transporter les ions. Notre générateur d'énergie électrique entraîné par pression peut être considéré comme l'un des produits inspirés de tels dispositifs de fusion à durée de vie machine41,42,43.

Les filtres en verre ont été fabriqués de deux manières. Dans le premier, une fritte de verre borosilicate (Furuuchi Chemical Corporation, Tokyo, Japon) a été placée dans le trou d'un moule en carbone (Beijing Jinglong Special Carbon Co., Ltd, Pékin, Chine) (diamètre du trou de 2 cm et profondeur de 3 mm) et la fritte a été frittée. Dans la deuxième manière, une poudre de particules de verre broyées a été utilisée. 3 g de particules grossières ont été broyés manuellement dans un mortier (As One, Osaka, Japon), et la vitesse de rotation était constante à 120 rpm. Le temps de broyage a été suivi par un chronomètre. La poudre a été placée dans l'ensemble du moule en carbone, puis des poids d'alumine (60 g/plaque, Yunyi Electronic Co., Ltd, Guangzhou, Chine) ont été placés sur chaque trou rempli de particules (3 plaques/gabarit) pour appliquer une pression. La poudre de verre a été frittée dans un four sous vide (KDF-900GL, Denken, Kyoto, Japon) pour fabriquer le filtre. La température a été portée à la température souhaitée (680-720 ° C) pendant 2 h, puis maintenue pendant 5 h à celle-ci. Ensuite, le moule contenant le filtre fritté a été refroidi à température ambiante pendant 8 h. Toutes les procédures de frittage ont été réalisées dans des conditions de vide.

Des filtres en silice fondue ont été fabriqués avec une procédure similaire en utilisant de la poudre de SiO2 (Furuuchi Chemical Corporation). Étant donné que la température de ramollissement de la silice fondue est assez élevée, nous avons utilisé la température de frittage de 1100 ° C pendant 10 h dans des conditions de vide pour la solidification provisoire suivie de 1150 ° C pendant 5 h pour le durcissement à l'aide d'un four sans vide (KDF-S80, Denken, Kyoto, Japon) sans moule en carbone. A noter que la solidification provisoire a eu lieu dans le moule, puis le moule a été retiré et seul le filtre a été durci à l'aide d'un four sans vide.

La procédure pour cela a été décrite ailleurs44. Brièvement, les filtres en verre fritté ont été cassés en petits morceaux (moins de 1 cm de diamètre). Ensuite, ils ont été placés dans un porosimètre à mercure automatique (Pascal 140 pour basse pression ou Pascal 240 pour haute pression ; MicrotracBEL, Osaka, Japon). La tension superficielle et l'angle de contact du mercure utilisés dans cette mesure étaient respectivement de 0,48 N/m et 141,3°.

Un porte-filtre (Swinnex Filter Holder Φ25mm, Merck, MA, USA), un raccord Luer (VPRM406, ISIS, Osaka, Japon), une feuille de treillis en cuivre (#100, Eggs Store, Tokyo, Japon) et des tubes en silicone ont été préparés. La sortie du porte-filtre a été rasée à l'aide d'un routeur de loisir (HRT-86, Takagi, Niigata, Japon) pour élargir l'ouverture. Le raccord Luer était fixé au sommet du porte-filtre et relié au tube en silicone (4 mm de diamètre). Le fond du support était attaché à un autre tube en silicone (10 mm de diamètre). Deux cercles (diamètre de 20 mm) ont été découpés dans le treillis de cuivre, et un cercle a été placé au-dessus et l'autre en dessous du filtre pour les électrodes. Enfin, des fils conducteurs ont été fixés aux électrodes par soudure à travers des trous percés dans les tubes de silicone.

L'eau a été introduite à partir d'une seringue de 50 ml (SS-50ESZ, Terumo, Tokyo, Japon) dans le générateur de puissance à une vitesse constante par un actionneur linéaire. La vitesse de l'actionneur linéaire (LEY32C-150, SMC, Tokyo, Japon) était contrôlée par un contrôleur ACT (version 1.2.0.0, SMC). L'eau a été mise en circulation dans une direction en poussant et en tirant des mouvements du piston de la seringue par l'actionneur linéaire via un clapet anti-retour (AS-1022, ASOH, Osaka, Japon).

Les signaux de tension, de courant et de force ont été envoyés à un PC via une carte d'E/S (MF644, Humusoft, Prague, République tchèque). avec MATLAB R2020a (version 9.9.01467702, MathWorks, MA, USA) et Simulink (version 10.2, MathWorks) ont été installés sur le PC. Un capteur à jauge de contrainte (LSM-50K-B, MinebeaMitsumi, Nagano, Japon) a été placé au-dessus du piston de la seringue. Le signal de force a également été envoyé à la carte d'E/S via un amplificateur de contrainte (DPM-951A, Kyowa Electronic Instruments, Tokyo, Japon). Un diviseur de tension utilisant 1 MΩ avec des résistances connectées en série de 2, 5 et 10 MΩ qui ont été sélectionnées en fonction de la plage de tension mesurée a été utilisé. Le courant a été calculé par la pente de la tension stockée dans un condensateur (200 μF) lors de la pression du pied de l'expérimentateur. Pour l'unité de presse, un enregistreur de données (NR-600, Keyence, Osaka, Japon) avec un système de mesure analogique à grande vitesse (NR-HA08, Keyence) et un logiciel (WAVE LOGGER PRO (version R4.02.00), Keyence) ont été utilisés pour l'enregistrement. Les données ont été enregistrées à des intervalles de temps de 1 ms.

Nous avons conçu et fabriqué une grande unité actionnée par la puissance de pression du pied (Fig. 4b) pour la démonstration de la production d'énergie. L'unité comportait un porte-seringue (59 mm de diamètre) et une seringue (31 mm de diamètre). Il avait également un couvercle carré (100 mm × 100 mm) avec une forme de cylindre moulé intérieur (85 mm de diamètre dans lequel le porte-seringue s'insère) pour agrandir la zone d'application de la force et limiter les directions de travail, et un support cylindrique intérieur (34 mm de diamètre) pour maintenir l'ensemble stable. Les composants de l'unité ont été fabriqués à l'aide d'une imprimante 3D de modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) (Black Knight, Magic Maker, Chongqing, Chine). Le matériau utilisé pour cette unité était l'acide polylactique (PLA). La conception a été dessinée à l'aide d'un logiciel de conception (Fusion 360, Autodesk, CA, USA).

Une lumière LED (3 mm, 3,3–3,6 V, 18 mA) a été utilisée pour le test d'éclairage et aucune résistance n'a été utilisée. L'énergie stockée dans un condensateur a été mesurée avec un multimètre (MS8233D, Crenova, Chine). Pour la rotation du mini ventilateur, un mini moteur (DC 1,5–3 V/40 mA, 11 × 4 mm, Uxcell Micro Vibrating Motor (OEM), Hong Kong, Chine) et d'autres pièces imprimées en 3D ont été utilisés. Pour le test de l'outil de communication sans fil, un générateur de signal (STM320, EnOcean, Oberhaching, Allemagne) a été utilisé avec un récepteur de signal (USB 400 J, EnOcean) et un kit sans fil (ESK300U, EnOcean).

Les images SEM des particules de verre ont été acquises par un microscope électronique à balayage (VE-8800, Keyence) et analysées à l'aide du logiciel open source ImageJ (version 1.8.0_172)45. Les diamètres moyens de Feret ont été automatiquement mesurés par le logiciel après que les données d'image aient été binarisées en blanc-noir. Les vidéos et images acquises pour les expériences d'application ont été éditées par un logiciel commercial (PowerDirector 16 (version 16.0), CyberLink, New Taipei City, Taiwan).

La résistance statique du filtre a été mesurée à l'aide d'un multimètre de haute précision (multimètre Fluke 83, Washington, USA). En condition d'écoulement, un circuit simple a été construit pour stabiliser le courant et séparer la tension totale générée à une résistance de référence (2,05 MΩ). En effet, il est difficile de mesurer la résistance en utilisant directement un multimètre. Selon la simple loi d'Ohm, la résistance à l'état d'écoulement a été estimée. La simulation numérique a été réalisée à l'aide de modules AC et CFD de logiciels commerciaux (COMSOL Multiphysics (version 6.0), COMSOL Inc., Burlington, MA, USA).

Les auteurs déclarent que toutes les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles dans le document et les informations supplémentaires.

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Ce travail a été financé par Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (20H02596) et Scientific Research on Innovative Areas (21H00334) de la Japan Society for the Promotion of Science (JSPS), Japon. Nous remercions la TATEISI Science and Technology Foundation, Japon, et la TEPCO Memorial Foundation, Japon pour leur soutien financier. Nous remercions également le personnel de l'Institut de recherche d'Osaka sur les sciences et technologies industrielles, au Japon, pour son soutien technique sur la mesure de la taille des pores.

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Yo Tanaka, Satoshi Amaya, Shun-ichi Funano, Yuri Ito, Yusufu Aishan et Yaxiaer Yalikun

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Xun Liu et Yaxiaer Yalikun

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YT, SA, SF, NK et YY ont conçu la recherche ; YT, SA, SF, HS, WN, YI, YA, XL et YY ont mené la recherche et interprété les résultats ; YT a préparé le manuscrit.

Correspondance à Yo Tanaka.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Film supplémentaire 1.

Film supplémentaire 2.

Film supplémentaire 3.

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Réimpressions et autorisations

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Reçu : 06 juillet 2022

Accepté : 22 septembre 2022

Publié: 20 octobre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-21069-8

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