Résumé :
Une équipe de recherche de SUNY Binghamton a développé un papier peint « hygroélectrique » à base de papier qui absorbe l'humidité de l'air et génère une petite quantité d'électricité tout en amortissant les changements d'humidité intérieure. Des recherches pertinentes ont été publiées dans Advanced Energy Materials. L'équipe a déclaré que son objectif n'était pas de remplacer le réseau ou l'énergie solaire sur les toits, mais d'alimenter des appareils Internet des objets à faible consommation tels que des capteurs environnementaux et des modules sans fil, et d'explorer la possibilité de permettre aux murs d'avoir à la fois des fonctions de collecte d'énergie et de régulation de l'humidité.
Ce prototype n'est pas un papier peint disponible dans le commerce, mais est basé sur du papier de chromatographie de laboratoire d'environ 340 microns d'épaisseur. Chaque unité de production d'électricité d'environ 2 cm carrés est divisée en trois zones : les bords sont recouverts de glycérine, qui est responsable de l'absorption de la vapeur d'eau de l'air ; la zone centrale contient de la polyvinylpyrrolidone (PVP), qui utilise des pores plus petits et une forte capacité d'absorption d'eau pour guider l'humidité vers l'intérieur ; le centre est traité avec de la cire, ce qui rend difficile le passage de l'eau liquide, mais la vapeur d'eau peut toujours s'échapper par les micropores. Les chercheurs ont fabriqué des électrodes avec de l'encre graphite et ont connecté les unités via des vias laser remplis de pâte d'argent, les circuits étant cachés au dos du papier.
L'électricité provient d'un processus continu d'absorption d'humidité, de transport d'eau interne et d'évaporation centrale. Les molécules d'eau interagissent avec les groupes chimiques de la glycérine, de la cellulose et du PVP pour libérer des protons, formant une différence de concentration d'ions entre les bords et le centre, incitant les particules chargées à se déplacer et à établir une tension, puis l'électrode en graphite collecte le courant. L’équipe a placé la zone hygroscopique en périphérie et la zone d’évaporation au centre, permettant à l’humidité de se déplacer directionnellement le long de la surface de la feuille. La couche de cire n'est pas complètement scellée, mais bloque sélectivement l'eau liquide et permet à la vapeur d'eau de s'échapper pour maintenir le gradient d'humidité.
Dans des conditions de test de 80 % d'humidité relative, une seule unité génère une tension d'environ 0,34 volt, avec une densité de puissance maximale d'environ 2,2 microwatts par centimètre carré, soit environ 0,55 microwatts par centimètre carré sur la base de l'empreinte totale de l'unité de 4 centimètres carrés ; la sortie reste stable pendant environ 90 minutes. Plus l’humidité est élevée, plus l’unité absorbe d’humidité et plus le rendement global est fort. Lorsque 10 unités sont connectées en série, la tension à 80 % d’humidité relative est d’environ 2,9 volts ; lorsque 10 unités sont connectées en parallèle, le courant est d'environ 240 microampères. Le document souligne que la densité de puissance de l’ensemble de l’empreinte du papier peint est encore faible et que la conception géométrique existante n’a pas encore été optimisée pour un rendement total.
L'équipe de recherche a ensuite constitué un plus grand ensemble de 1 596 unités, a réduit l'humidité intérieure à environ 32 % en 15 minutes à une humidité relative d'environ 38 % et a démontré l'alimentation d'un clavier sans fil ; la démonstration a utilisé le stockage d'énergie par condensateur pour libérer la charge lorsque le clavier fonctionnait. Dans une expérience plus petite, 35 unités ont alimenté le capteur d’humidité pendant environ 15 minutes. La recherche a également testé le tampon d’humidité dans une boîte scellée de 30 × 30 × 15 cm. 28 unités ont réduit l'humidité de 75 % à 50 % en 4 minutes environ ; le papier hygroscopique peut libérer de l'humidité dans l'air sec, provoquant une augmentation de l'humidité de 15 % à 20 % en 16 minutes environ. Ces résultats proviennent d'expériences contrôlées et ne peuvent pas être directement interprétés comme une déshumidification à long terme ou des capacités électriques pour une maison entière.
L'équipe espère utiliser l'impression à la cire, la pulvérisation, la sérigraphie et le traitement laser pour réaliser une impression complète, et pense qu'il y aura des opportunités d'augmenter la production à l'avenir. Mais actuellement, le papier de laboratoire est encore utilisé et les recherches doivent encore démontrer la durabilité de qualité des produits, la stabilité des cycles à long terme ou les performances réelles de la maison dans diverses conditions de ventilation. Les chercheurs ont également souligné que même si une humidité plus élevée peut augmenter l'absorption d'humidité et la production d'électricité, lorsque l'humidité relative approche de 90 à 95 %, la différence de pression de vapeur d'eau requise pour l'évaporation centrale peut s'affaiblir et la production peut avoir tendance à se stabiliser, voire à diminuer.
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