Emerging nano-hydroelectric technology utilizes hydraulic flow on nanomaterials to generate electricity, which gains increasing attention due to its simplicity, sustainability, renewability, eco-friendliness, and ubiquity. Up to date, several designs of nano-hydroelectric devices were devised for both liquid and vapor water as resources. However, the nano-hydroelectric devices are yet to be a practical energy source for the following reasons. First, the driving force for hydraulic flow on nanomaterials was too weak to produce high electrical power. Second, autonomous energy harvesting from the ambient environment was unavailable since the devices require periodical water supplement for continuous electricity generation. Lastly, the energy conversion efficiency of previous nanomaterials was not sufficient that even the state-of-art nano-hydroelectric generator requires more than tens of thousands of units to operate a low-power electronic.
In this thesis, transpiration-driven electrokinetic power generator (TEPG), a novel water-powered energy harvester, was investigated with a series of developments; self-operating TEPG, MXene-based TEPG, MXene/polyaniline-based TEPG. Mimicking the natural transpiration process of plants, TEPG exploits the capillary water flow in asymmetrically-wetted carbon-coated cotton fabric to generate electricity. Multi-dimensional analysis of TEPG reveals clear energy generation mechanisms. Accumulation of protons induced by the electrical double layer formed at the solid (carbon)/liquid (water) interface gives rise to the potential difference between the wet and dry sides. The interaction of conductive carbon channels and water generates electrical current driven by the pseudo-streaming mechanism. Followed by the first work, an artificial hydrological cycle is applied to TEPG to continuously and autonomously generate electric power. The artificial hydrological cycle was formed by using deliquescent calcium chloride ($CaCl_2$), collecting water vapor from the surrounding environment to supply water to the TEPG in a closed system continuously. The self-operating TEPG generates stable electrical energy for more than two weeks by itself in the range of 15 ~ 60% relative humidity. Finally, MXene (titanium carbide, $Ti_3C_2$) nanosheets were utilized as electrokinetic converting materials to facilitate electrokinetic–conversion of TEPG to improve energy generation efficiency. Owing to the two-dimensional feature, strong cationic affinity, and the metallic conductivity, MXene-based TEPG could achieve 170-folds of improved electrical power than carbon-based TEPGs. Moreover, the combination of MXene with polyaniline reinforced ionic diffusivity and electrical network of MXene. The optimized MXene/polyaniline-based TEPG generates a maximum voltage of $0.54$ $V$, a current of $8.2$ $mA$, and an energy density of $30.9$ $mW/cm^3$ by using $30$ $\mu L$ of NaCl solution, which provides sufficient electric power to operate a low-power electronics and charge a commercialized battery.
나노물질에서 일어나는 물의 흐름으로 전기를 생성하는 나노-수전 기술은 구동 방법이 간단하고, 물을 이용하기에 지속적으로 재사용이 가능하고 친환경적이며, 장소에 구애 받지 않고 사용될 수 있어 과학계의 큰 주목을 받고있다. 현재까지 액상의 물과 기상의 수증기로 전기 에너지를 생성할 수 있는 다양한 디자인의 나노-수전 발전기가 개발되었다. 하지만, 현재의 나노-수전 기기들은 몇가지 이유로 인해 실용적인 에너지원으로 사용되지 못하고 있다. 첫째, 나노물질 표면에서 일어나는 물의 흐름이 약해 생성되는 전력이 낮다. 둘째, 주기적으로 물을 공급해줘야만 발전이 가능하여 독립적으로 전기 생산이 불가능하다. 셋째, 기존에 사용된 나노 물질의 동전기적 에너지 변환 효율이 낮아, 현재까지 개발된 최고 성능의 나노-수전 발전기도 만개 이상의 기기가 직렬과 병렬로 연결되어 에너지를 증폭시켜야 저전력 전자기기를 겨우 구동시킬 수 있다.
본 박사학위 논문에서는 액상의 물을 이용하여 전기를 생산하는 증산작용이 적용된 동전기적 발전기(TEPG)를 개발하였으며, TEPG가 가진 단점들이 보완된 자가발전이 가능한 TEPG, 맥신(MXene) 기반의 TEPG, 맥신/폴리아닐린(polyaniline) 복합체 기반의 TEPG를 다룬다. TEPG는 식물의 증산작용을 모방하여 탄소가 도포된 면섬유가 비대칭적으로 젖어있을 때 발생하는 모세관 현상을 이용하여 전기를 생성한다. 다방면의 분석을 통하여 전압은 젖은 탄소에 형성된 전기이중층 때문에 생성되며, 전류는 탄소와 흐르는 물의 상호작용 (유사흐름전류) 때문에 생성된다는 것을 밝혀냈다. 두번째 연구에서는, 인공 물순환 시스템을 TEPG에 적용하여 지속적이며 자발적으로 전기를 생성할 수 있는 나노-수전 발전기를 만들었다. 이때, 조해성의 염화칼슘을 이용하여 인공 물순환 시스템을 구축하였으며, 나노-수전 발전기에서 증발된 물이 염화칼슘에 의해 자동적으로 지속적으로 흡수되는 형태로 물을 공급해주는 시스템을 개발하였다. 개발된 자가발전이 가능한 TEPG는 15 ~ 60% 상대습도에서 약 2주 동안 사람의 도움 없이 에너지를 생성할 수 있다. 마지막 연구에서는 맥신을 동전기 변환물질로 사용하여 동전기적 에너지 변환 효율이 뛰어난 TEPG를 개발하였다. 맥신이 가진 2차원 나노판 구조, 높은 이온 친화도, 높은 전기전도도 덕분에 맥신 기반의 TEPG는 탄소 기반의 TEPG 보다 170배 증가된 전력을 생산할 수 있었다. 더불어, 맥신을 폴리아닐린과 복합화시키면 이온 투과도와 전기 전도도를 높일 수 있었으며, 최적화된 맥신/폴리아닐린 복합체 기반의 TEPG는 최대 $0.54$ $V$, $8.2$ $mA$, $30.9$ $mW/cm^3$ 의 높은 전력을 $30$ $\mu L$의 소금물로 생성할 수 있다. 이는 저전력 전자기기와 상용화된 이차전지를 충전하는데 충분한 에너지로 TEPG의 뛰어난 활용성과 실용성을 보여준다.
