Films minces générant de l’électricité à partir de l’humidité ambiante (2023–2025)

23 Nov Films minces générant de l’électricité à partir de l’humidité ambiante (2023–2025)

Posted at 20:13h in Non classé by ad564 0 Comments

Contenus masquer

1 Introduction

2 Mécanismes de conversion de l’humidité en énergie

3 Matériaux à base de nitrure de carbone graphitique (g‑C₃N₄)

4 Matériaux MXene (carbures/nitrures métalliques 2D)

5 Matériaux MOF (Metal-Organic Frameworks)

6 Composites organiques-inorganiques et autres matériaux

7 Performances obtenues et conditions environnementales

8 Limitations connues

9 Pistes d’amélioration et évolutions futures

Introduction

La conversion de l’humidité ambiante en électricité, aussi appelée effet hygroélectrique ou hydrovoltaïque, suscite un intérêt croissant pour des sources d’énergie vertes et omniprésentes. Des recherches récentes (2023–2025) explorent des films minces capables de générer une tension électrique en exploitant l’eau contenue dans l’air. L’avantage de cette technologie est qu’elle fonctionne sans aucune source d’énergie externe autre que l’humidité de l’air, ce qui en fait une approche propre et renouvelable[1][2]. Après près de dix ans de développement, plusieurs matériaux – en particulier le nitrure de carbone graphitique (g‑C₃N₄) – ont émergé comme candidats prometteurs, aux côtés d’autres comme les MXenes (nanosheets de carbures/nitrures métalliques), les MOFs (Metal-Organic Frameworks) et divers composites organiques-inorganiques[3][4].

Nous présentons ci-dessous les mécanismes physiques exploités, les performances obtenues (tension, courant, durée) et les conditions requises pour ces générateurs à humidité. Nous mettrons l’accent sur les matériaux à base de g‑C₃N₄, puis aborderons d’autres matériaux récents. Enfin, nous discuterons des limitations actuelles et proposerons des pistes d’amélioration fondées sur les avancées expérimentales récentes et les lacunes identifiées dans la conception de ces dispositifs.

Mécanismes de conversion de l’humidité en énergie

Plusieurs mécanismes physiques permettent de convertir l’humidité en électricité :

Effet triboélectrique lié à l’eau : L’interaction mécanique de l’eau avec certaines surfaces peut générer des charges statiques. Par exemple, la condensation/évaporation répétée de micro-gouttelettes d’eau peut induire un transfert de charges triboélectriques exploitable[5]. De même, des nanogénérateurs triboélectriques (TENGs) incorporant des matériaux 2D (graphène, g‑C₃N₄, etc.) ont été développés pour récolter l’énergie de gouttelettes d’eau ou de fluctuations d’humidité[6][7]. Ce mécanisme repose sur le frottement ou l’impact de l’eau sur une surface pour générer une différence de potentiel, souvent combiné à des matériaux flexibles.
Transport de protons/ions (effet hydrovoltaïque) : C’est le principe clé de la plupart des générateurs à humidité. Un matériau hygroscopique absorbe l’eau de l’air, provoquant la dissociation de groupes fonctionnels ioniques et la libération d’ions mobiles (typiquement H^+). Sous une structure asymétrique (une face exposée à l’humidité, l’autre non), un gradient de concentration ionique se crée et entraîne une diffusion dirigée des ions[8]. Ce flux ionique sépare les charges : les ions positifs migrent vers la zone sèche et les ions négatifs restent ancrés, générant ainsi une tension de circuit ouvert, et un courant électrique circule lorsqu’un circuit externe est connecté[8]. Ce phénomène, parfois appelé courant d’adsorption ou électricité d’évaporation, a d’abord été observé avec des films de graphène oxyde hydrophiles[9][10]. Des améliorations ultérieures ont introduit des membranes nanoporeuses favorisant la formation d’une double couche électrique (EDL) et la rectification du flux ionique pour accroître l’efficacité du processus[11][12].
Effet d’écoulement ionique (streaming) : Proche du mécanisme précédent, ce phénomène exploite un flux continu d’eau induit par l’humidité ou l’évaporation pour faire circuler des ions à travers des nano-canaux chargés. Par analogie au potentiel d’écoulement connu depuis le XIX^e siècle, l’eau en mouvement dans des pores chargés entraîne les ions compensateurs dans le liquide, générant une tension électrique[13][14]. Certains dispositifs créent ainsi un courant permanent en maintenant un écoulement interne d’eau : par exemple, en combinant une face absorbante (humide) et une face évaporante (sèche) dans une membrane Janus, on obtient un flux d’eau autopropulsé qui porte les ions à travers la membrane[15][16].

Chaque approche présente des avantages et limites : le triboélectrique offre des pics de puissance brefs (par événements de gouttes ou de cycles d’humidité), tandis que les effets ioniques permettent une génération plus continue tant qu’un gradient d’humidité est maintenu. La plupart des travaux récents se concentrent sur ces derniers (hydrovoltaïques), car ils promettent une alimentation durable en exploitant simplement l’humidité de l’air[1].

Matériaux à base de nitrure de carbone graphitique (g‑C₃N₄)

Le g‑C₃N₄ est un polymère de type graphitique constitué de carbone et d’azote. Connu pour sa photocatalyse, il s’illustre aussi dans la génération d’électricité à partir de l’humidité grâce à sa structure poreuse et ses surfaces riches en groupes polaires. En 2024, Ni et al. ont fabriqué un film mince de g‑C₃N₄ tubulaire déposé sur une membrane d’alumine anodisée (AAO) asymétrique, pour en faire un générateur d’humidité auto-alimenté[17]. Sous 96 % d’humidité relative (HR), ce film a fourni une tension à circuit ouvert de 0,47 V et un courant de 3,5 µA, avec une puissance de sortie maximale d’environ 0,08 µW[18]. Le mécanisme proposé est la formation d’une hétérostructure g‑C₃N₄/AAO générant un gradient ionique sous l’effet de l’eau : l’eau adsorbée libère des ions (probablement H^+ des groupements –NH_2 du g‑C₃N₄) qui diffusent à travers les canaux de l’AAO, créant la différence de potentiel mesurée[18]. Ce dispositif a démontré une sensibilité exceptionnelle à l’humidité (variation de courant de l’ordre de 10^6 % entre 41 % et 96 % HR) et a été utilisé comme capteur auto-alimenté, par exemple pour monitorer la respiration humaine[19]. Cela illustre le double rôle du g‑C₃N₄ : à la fois matériau actif de génération électrique et capteur sensible aux variations d’humidité.

En plus de servir de couche active dans les MEG (Moisture Electric Generators), le nitrure de carbone graphitique peut jouer un rôle de catalyseur pour améliorer la conversion d’énergie. Duan et al. (2025) ont couplé une couche de g‑C₃N₄ photosensible avec un hydrogel générateur d’électricité afin de prolonger la durée de production du courant[20]. Dans leur dispositif multicouche, une hydrogel hygroscopique fournit l’effet hydrovoltaïque de base (V_{OC} ≈ 0,28 V, I_{SC} ≈ 1,8 µA sous forte humidité)[21]. Au cours du fonctionnement, l’accumulation d’ions (H^+) en bas de l’hydrogel tend à neutraliser le gradient et diminuer le courant au bout de quelques centaines d’heures. Pour restaurer le gradient ionique, les chercheurs ont intercalé sous l’hydrogel une fine couche photocatalytique composée de g‑C₃N₄ dopé au chlorophylline (P-CN) dispersé dans une matrice PVDF-HFP[20][22]. Sous illumination modérée, le g‑C₃N₄ photo-activé produit des paires e^-/h^+ : les électrons recombinent avec les protons H^+ accumulés pour générer de l’hydrogène (éliminant ces ions excédentaires), tandis que les trous h^+ migrent vers l’électrode pour fournir un courant additionnel[20]. Ce couplage hydrovoltaïque + photocatalyse a entraîné une amélioration de ~500 % de la densité de puissance et a permis une production électrique ininterrompue pendant plus de 650 heures (plus de 27 jours)[20][22]. Même après l’arrêt de l’éclairement, le dispositif conservait un courant ~150 % plus élevé qu’initialement grâce au gradient restauré[23]. Cette étude pionnière montre comment le g‑C₃N₄ peut être exploité non seulement pour ses propriétés hygroscopiques, mais aussi pour réalimenter dynamiquement le système en consommant les ions accumulés, ouvrant la voie à des MEG vraiment continus sur le long terme.

Matériaux MXene (carbures/nitrures métalliques 2D)

Les MXenes, telles que Ti_3C_2T_x, sont des nanofeuilles 2D conductrices portant de nombreuses fonctions de surface (–OH, =O, –F) hydrophiles. Ces groupes polaires leur confèrent une excellente capacité à adsorber l’eau et à dissocier des ions H^+ de l’eau ou de groupes –OH, ce qui en fait des matériaux actifs prometteurs pour les MEG[12][24]. De plus, empilées en films poreux, les feuilles de MXene créent un réseau de nano-canaux favorables à la diffusion des ions, améliorant le transport de charge[12]. Par exemple, Luo et al. ont réalisé en 2023 un générateur d’humidité en sandwich utilisant un tissu de coton enduit de MXene comme couche active (protonique) associé à une électrode supérieure en aluminium et une électrode inférieure en soie carbonisée poreuse[25][26]. Grâce à la combinaison de pores chargés négativement (favorisant la sélectivité ionique) et de la libération de cations Al^{3+} par l’électrode en Al, ce dispositif a atteint une tension V_{OC} élevée d’environ 0,93 V et un courant I_{SC} de 0,434 mA, soit des valeurs nettement supérieures aux MEG antérieurs sur base graphène oxide[26]. D’autres études ont incorporé des MXenes dans des hydrogels ioniques ou sur des membranes textiles, obtenant typiquement des tensions de l’ordre de 0,3–0,8 V et des densités de courant de quelques µA/cm² à quelques centaines de µA/cm² selon l’architecture[27][28].

Malgré ces performances honorables, les MEG à base de MXene restent encore en retrait par rapport à d’autres matériaux en 2025[29][30]. La majorité des améliorations portent sur l’architecture du dispositif (structuration asymétrique, ajout de couches réservoir d’eau, électrodes optimisées) plutôt que sur la chimie intrinsèque du MXene[30]. Ainsi, la pleine exploitation du potentiel des MXenes pourrait passer par des modifications chimiques ciblées (par ex. greffage de nouveaux groupements fonctionnels pour accroître la dissociation ionique, ou intercalation de sels pour améliorer l’hygroscopie). Par ailleurs, la stabilité à long terme constitue un défi : peu d’études reportent des tests de plusieurs semaines ou mois sur ces matériaux, alors que c’est crucial pour les applications pratiques[28]. En résumé, les MXenes offrent une plateforme intéressante (haute conductivité, surface riche en charges) pour les générateurs à humidité, mais des efforts sont nécessaires pour optimiser leurs propriétés à l’échelle moléculaire et garantir une opération durable.

Matériaux MOF (Metal-Organic Frameworks)

Les MOFs sont des matériaux hybrides poreux connus pour leur très forte surface spécifique, leur porosité réglable et la possibilité de fonctionnaliser leurs pores. Ces caractéristiques ont récemment été mises à profit pour améliorer la génération d’électricité à partir de l’eau atmosphérique. Une stratégie consiste à utiliser les MOFs comme agents hygroscopiques et canaux de transport d’eau/ions dans des membranes asymétriques. Par exemple, Jiao et al. (2025) ont conçu une membrane Janus flexible appelée MOFs@FP-CB combinant deux MOFs aux propriétés opposées sur les deux faces d’un papier filtre conducteur[31][15]. D’un côté, une couche de MOF-808 sulfaté (SO₄-MOF-808) hydrophile et chargée négativement adsorbe fortement la vapeur d’eau. De l’autre, une couche de ZIF-8 hydrophobe et chargée positivement favorise l’évaporation de l’eau vers l’extérieur[32]. Ce montage latéral crée un gradient permanent d’humidité latéral à travers la membrane, induisant un flux dirigé d’eau à l’intérieur des canaux des MOFs. Le résultat est une production continue d’électricité par transport ionique : la membrane délivre environ 0,20 V pour 20,6 µA à 25 °C et 65 % HR[33]. Grâce à sa conception modulaire, la sortie est facilement extensible – par exemple, 10 membranes en parallèle ont fourni 129,7 µA, tandis que 12 en série ont atteint 1,49 V[33]. Il a été démontré que 20 membranes en série pouvaient allumer directement une LED rouge[34]. Surtout, ce dispositif Janus a fonctionné de manière stable pendant plus de 7 jours (168 h) en condition ambiante, sans nécessité de cycle jour/nuit ou de réhydratation externe[35]. L’usage de MOFs aux extrémités opposées crée en effet un flux d’eau auto-entretenu (absorption continue d’un côté, évaporation de l’autre) qui surmonte la lenteur du transport purement diffusif habituel des MEG[2][36]. Ce travail illustre l’intérêt des MOFs pour accroître la tolérance aux conditions environnementales : la membrane fonctionne dans une large gamme d’humidité et de températures, car le MOF-808 peut puiser l’eau même à humidité modérée tandis que le ZIF-8 évacue l’excès d’eau, maintenant un gradient interne[36].

Une autre approche consiste à incorporer des MOFs au sein des électrodes ou couches actives pour augmenter le rendement. Zhang et al. (2025) ont démontré qu’en revêtant une mousse métallique poreuse (fer) avec un MOF de cobalt (ZIF-67), on améliorait simultanément la tension générée et le courant de ces générateurs par évaporation[37][38]. Le ZIF-67 apporte deux bénéfices : (i) il augmente le potentiel de surface de l’électrode (grâce aux charges de sa structure et à son énorme surface développée), ce qui amplifie la différence de potentiel entre l’électrode de cathode (Fe+ZIF) et l’anode en carbone[38] ; (ii) il libère des ions Co^2+ dans le système, jouant le rôle de porteurs de charge supplémentaires pour intensifier le courant[37][39]. Avec une électrode en mousse de fer-ZIF et une contre-électrode en tissu de carbone/CNT séparées par une mousse de mélamine imbibée d’eau, le dispositif obtenu a délivré une densité de courant impressionnante de ~862 µA/cm² pour une tension d’environ 0,78 V, soit une augmentation d’environ +300 % de courant et +50 % de tension par rapport à une électrode fer conventionnelle[37]. La puissance de sortie a atteint 101 µW/cm² (sur charge ~1 kΩ), un record dans ce domaine[37]. À titre de comparaison, un précédent essai avec un MOF-801 (zirconium fumarate) appliqué sur des nanotubes de carbone avait permis d’obtenir une tension très élevée (~2,2 V en circuit ouvert) mais un courant infime (~1,9 µA) du fait d’une conduction limitée[40]. Cela souligne qu’il faut combiner judicieusement les MOFs avec les électrodes et supports pour bénéficier à la fois d’une forte génération de charge (haute tension) et d’une bonne conductivité ionique (haut courant)[40][41]. En somme, les MOFs commencent à jouer un rôle clé dans les MEG de nouvelle génération, soit en tant que composants de membranes intelligentes maintenant un flux d’eau interne, soit comme additifs aux électrodes pour décupler les différences de potentiel et fournir des ions supplémentaires.

Composites organiques-inorganiques et autres matériaux

Une large palette d’autres matériaux a également été explorée, souvent sous forme de composites combinant un polymère hygroscopique (organique) avec des additifs inorganiques (sels, nanomatériaux) pour tirer parti des effets synergiques. Les hydrogels ioniques en sont un exemple marquant : ce sont des réseaux polymères tridimensionnels capables d’absorber de grandes quantités d’eau tout en contenant des groupes ionisables et/ou des sels dissous. Yang et al. ont rapporté en 2024 un hydrogel supramoléculaire à base d’alginate de sodium (AlgNa) et de PVA, réticulé par des ions Ca^2+ (Alginate de calcium)[42][43]. Ce gel combine une absorption d’eau rapide (grâce aux nombreux groupements carboxylates –COO^- Na^+ qui captent l’humidité) et une diffusion ionique plus lente (retenant l’eau dans le réseau)[44]. La structure asymétrique (électrode supérieure percée laissant passer l’humidité, substrat inférieur étanche) crée un gradient d’humidité durable dans le gel[43]. Une seule unité de ce générateur hydrogel a produit une tension d’environ 1,30 V et un courant continu de 2,14 mA (avec une surface active de 9 cm²) – des valeurs nettement supérieures aux dispositifs antérieurs[45]. Cela correspond à une densité de puissance de ~0,11 mW/cm² (1 cm²)[45], un record, suffisant pour alimenter directement de petits appareils électroniques. Les chercheurs ont démontré l’intégration de 280 de ces unités en parallèle, délivrant un courant total de ~65 mA[45]. Même en environnement ouvert non contrôlé, l’appareil a maintenu ~1,3 V pendant plus de 90 heures malgré des fluctuations d’humidité ambiante entre 60 % et 90 % HR (22 °C)[46] – témoignant d’une excellente stabilité opérationnelle. Ici, l’ajout de CaCl₂ s’est avéré crucial : les ions Ca^2+ créent des ponts ioniques (structures en « boîte à œufs ») entre les chaînes d’alginate, apportant des sites de dissociation supplémentaires et améliorant la conductivité ionique du gel[42][47]. Ce composite organique-inorganique (polymère naturel + sel métallique) illustre comment la conception rationnelle de matériaux peut fortement améliorer la récolte d’énergie de l’humidité, en maximisant simultanément l’adsorption d’eau, la génération d’ions mobiles et la persistance du gradient interne[44][45].

D’autres composés hybrides notables incluent les membranes à base de nanocellulose (fibres de cellulose de quelques nanomètres) combinées à des matériaux conducteurs. Par exemple, des films de cellulose enchevêtrée avec du graphène ou du MXene ont montré une production d’électricité grâce à la rectification ionique naturelle des canaux formés et à la grande hygroscopie de la cellulose[48][49]. De même, l’acétate de cellulose électrofilé en membranes poreuses a servi de support efficace pour générer de l’électricité sous humidité en exploitant les charges de surface asymétriques et la capillarité[48]. Citons également les nanofibres protéiques : en 2020, une équipe a montré qu’un film de nanofils de protéines microbiennes pouvait fournir ~0,5 V en continu simplement exposé à l’air humide[50]. Des travaux ultérieurs (2022) avec des fibrilles de protéines de lait ont confirmé le concept d’une génération hydrique par biomatériaux, bien que les densités de courant restent faibles[51]. Ces systèmes purement organiques exploitent la présence de nombreuses charges dissoutes le long des fibres pour créer une diffusion de protons sous gradient d’humidité. Enfin, des composites intégrant des particules inorganiques hygroscopiques (par ex. nano-TiO₂ dérivés de MXene[52], ou encore des couples hygroscopiques anion-cation[53]) ont été essayés pour obtenir des générateurs fonctionnant même en atmosphère plus sèche. Globalement, les matériaux composites offrent une flexibilité de design énorme : en associant judicieusement composants organiques (élastiques, faciles à mettre en forme) et inorganiques (haute conductivité, forte affinité pour l’eau ou fort potentiel de surface), on peut concevoir des films minces optimisés pour maximiser chaque étape du processus (adsorption d’eau, dissociation ionique, conduction sélective, etc.).

Performances obtenues et conditions environnementales

Tensions et courants – Les générateurs d’électricité à partir de l’humidité produisent typiquement des tensions de quelques dizaines à quelques centaines de millivolts par unité simple sous humidité ambiante. Par exemple, un film de graphène oxyde ou de MXene dégage en général 0,1–0,5 V[2]. Cependant, l’ingénierie de matériaux et de structures a permis récemment d’atteindre ou dépasser le volt : l’hydrogel AlgCa/Na produit ~1,3 V[45], et certaines combinaisons MOF/carbone ont même atteint 2 V (au prix d’un courant faible)[40]. De même, les courants de court-circuit étaient historiquement très faibles (de l’ordre de la nanotampère à la microampère), limitant ces dispositifs aux capteurs. Les avancées de 2023–2025 ont fait grimper les courants dans le domaine milliampère sur des surfaces cm² : l’exemple du gel alginate Ca/PVA fournit >2 mA par unité de 9 cm²[45], et ~65 mA avec 280 unités intégrées[45]. D’autres travaux rapportent quelques centaines de µA via des structures multicouches MXene ou MOF[26][37]. Néanmoins, il demeure courant d’avoir un compromis entre tension et courant : les dispositifs à très haut V (plusieurs volts) ont souvent des µA, tandis que ceux optimisés pour le courant (plusieurs mA) délivrent typiquement <1 V – la puissance de sortie restant dans tous les cas de l’ordre du nanowatt à quelques microwatts par cm² pour une cellule individuelle[2][45]. Les meilleures configurations atteignent ~0,1 mW/cm² en pic, sous forte humidité[45].

Durée de génération – Une limite majeure des premiers MEG était leur caractère transitoire : beaucoup ne produisaient un courant que pendant quelques secondes ou minutes, jusqu’à l’équilibre des gradients internes[1][36]. Aujourd’hui, grâce à l’introduction de réservoirs hydriques internes (hydrogels, couches absorbantes) et de mécanismes de renouvellement, on obtient des générations prolongées sur des dizaines voire des centaines d’heures. Le générateur à hydrogel supramoléculaire a fonctionné plus de 90 h en ambiance réelle tout en conservant ~1,3 V[46]. Un autre exemple remarquable est le dispositif couplant photocatalyse et humidité, qui a maintenu un courant sur 650 h (>27 jours) grâce au rétablissement périodique du gradient ionique par l’éclairement[22]. Les membranes MOF Janus ont opéré en continu pendant une semaine[35]. Certains auteurs ont même annoncé des systèmes stables sur plus de 200 jours en laboratoire en optimisant les électrodes et en évitant toute évaporation parasite[54]. Ces progrès suggèrent qu’une alimentation quasi-permanente par l’humidité est envisageable, à condition de contrer l’épuisement des gradients (par exemple via des structures de diode ionique[55] ou des cycles d’adsorption/désorption intelligents).

Conditions environnementales – La performance de ces générateurs dépend fortement de l’humidité relative (HR) disponible. La plupart des études testent les dispositifs sous HR élevée (70–100 %) afin de maximiser l’eau absorbée et donc le courant. Dans ces conditions, les matériaux hygroscopiques sont saturés rapidement et donnent les meilleurs résultats. À l’inverse, à faible humidité (≤40 %), le rendement chute drastiquement pour de nombreux dispositifs classiques[56][36]. Toutefois, les designs récents cherchent à élargir cette plage : l’utilisation de sels hygroscopiques (ex: LiCl dans les hydrogels) ou de MOFs ultra-absorbants permet de capter de l’eau même vers 30–50 % HR, maintenant un minimum de production. Par exemple, le gel AlgCa/Na a pu opérer entre 60 % et 90 % HR en conservant une tension stable[46]. Quant au dispositif MOF Janus, il a montré une tolérance à un large spectre d’HR et de températures, grâce à son gradient interne auto-entretenu[36]. En pratique, pour viser des applications outdoor toute météo, certains conçoivent des systèmes couplés à des collecteurs d’eau atmosphérique : le courant peut alors être maintenu jour et nuit, même en climat aride, en stockant l’eau la nuit (par refroidissement radiatif ou absorption MOF) et en l’évaporant le jour pour produire de l’électricité[57][58]. En termes de température, la plupart des expériences sont menées autour de 20–25 °C. L’effet de la chaleur est double : elle accélère l’évaporation (augmentant potentiellement le courant) mais peut assécher trop vite le dispositif. Des compromis (ajout de photothermie contrôlée[59] ou isolation partielle) sont à l’étude pour optimiser la production selon la température ambiante.

Limitations connues

Malgré des progrès rapides, plusieurs limitations techniques freinent encore l’adoption large de ces technologies :

Densité de puissance faible : Les MEG actuels produisent des puissances de l’ordre du µW/cm², insuffisantes pour alimenter directement des appareils gourmands. Ce faible rendement découle de forces motrices limitées (gradients d’humidité modérés) et d’une mobilité ionique réduite en phase quasi-gazeuse[2]. Les ions se déplacent plus lentement dans des films humides qu’en solution liquide, ce qui briderait l’intensité du courant.
Nécessité d’une humidité élevée : Beaucoup de dispositifs ne fonctionnent de manière efficace qu’à HR > 70 %. En dessous, le courant chute et peut même s’annuler si le film se dessèche. Cette forte dépendance à l’humidité ambiante pose problème pour une utilisation en climat sec ou à l’intérieur de bâtiments climatisés[36]. De plus, certains générateurs doivent être « rechargés » en eau (p. ex. trempés ou exposés à une source humide) après une certaine durée, faute de quoi la production cesse.
Durée de vie limitée : Historiquement, de nombreux MEG étaient à usage unique – l’effet ne durait que jusqu’à épuisement du gradient initial (quelques minutes/heures). Même avec les améliorations récentes, tous n’atteignent pas encore les centaines d’heures de fonctionnement. Plusieurs rapports signalent que la majorité des MEG existants avaient un temps de génération court (de l’ordre de secondes à heures), rendant l’appareil pratiquement jetable[1]. Ceci constitue un obstacle majeur à une utilisation continue jour après jour.
Stabilité matérielle et cycles : Les cycles répétés d’absorption/séchage peuvent provoquer des dégradations dans le matériau (fissuration d’un hydrogel en se rétractant, perte de fonctionnalité de surface d’un MOF après plusieurs cycles, corrosion d’une électrode métallique, etc.). Maintenir l’intégrité des films sur de longues périodes (mois, années) reste un défi : peu d’études ont encore adressé le vieillissement, l’encrassement biologique (pour les biomatériaux) ou la stabilité des performances sur le long terme[28].
Conception et intégration : Obtenir simultanément une haute tension et un fort courant dans un même dispositif est délicat. Souvent, l’optimisation d’un paramètre se fait au détriment de l’autre[40][41]. Par ailleurs, pour augmenter la puissance, on peut associer de nombreuses unités en série/parallèle, mais cela complexifie l’appareil (multiplication des connexions, augmentation de la taille)[60][61]. L’électronique de gestion (par ex. convertir un courant discontinu en alimentation stable) n’est pas toujours triviale non plus, même si certaines études ont pu charger directement des condensateurs ou alimenter de petits gadgets avec les MEG intégrés[62].
Limites de fabrication et coûts : Certains matériaux employés (nanofils de protéine, MXenes, MOFs spécifiques) restent coûteux ou délicats à produire en grande quantité. La reproductibilité des films minces nanostructurés à grande échelle est un enjeu. Néanmoins, on note des efforts pour utiliser des composants abondants et verts (alginate naturel, cellulose bactérienne, déchets agricoles dans des composites) afin de réduire le coût et l’empreinte écologique[63][64].

En somme, les MEG actuels, bien que prometteurs, doivent encore surmonter des défis de performance, de fiabilité et de mise à l’échelle avant de prétendre alimenter couramment des dispositifs électroniques dans la vie réelle.

Pistes d’amélioration et évolutions futures

Face à ces défis, la littérature récente propose plusieurs axes pour améliorer et faire évoluer la technologie :

Nouveaux matériaux et modifications chimiques : Un consensus émerge sur la nécessité d’agir au niveau moléculaire. Par exemple, augmenter la densité de groupes fonctionnels hydrophiles sur les surfaces peut amplifier la dissociation d’ions. Zhu et al. (2022) ont montré qu’en enrichissant le graphène oxyde en groupes oxygénés, on multipliait la puissance générée grâce à une concentration accrue en sites donneurs de protons[65]. De même, pour les MXenes, il est suggéré de diversifier leurs terminaisons de surface (par chimie fluorée, aminée, etc.) ou d’intercaler des couches 2D pour améliorer la conduction protonique[29]. La dopage du g‑C₃N₄ avec des pigments (chlorophylline dans l’étude de Duan) en est un autre exemple, augmentant l’absorption de lumière et l’efficacité de séparation de charge[20]. À l’avenir, on pourrait imaginer des polymères de nouvelle génération spécialement conçus pour la génération hygrométrique, combinant une forte affinité pour l’eau et une forte mobilité ionique interne.
Optimisation des architectures : Plusieurs travaux suggèrent d’intégrer des structures internes favorisant le maintien du gradient et la séparation des charges. Par exemple, l’emploi de membranes à diode ionique (nanopores coniques ou membranes Janus chargées asymétriquement) empêche le reflux des ions et prolonge la durée de génération[55]. Des générateurs à double gradient (deux interfaces humidifiées opposées) ont été testés pour additionner deux contributions de potentiel dans un même dispositif[54]. L’utilisation de couches multiples – une couche supérieure ultra-hygroscopique qui absorbe l’eau et la transfère à une couche inférieure génératrice – est une piste pour allier fonctionnement en air sec et fort courant. C’est le principe de certains systèmes couplant un gel collecteur d’eau et une couche active en dessous[29]. On peut aussi citer l’exemple de la structure en mousse pleine (foam) présentée par Zhang et al. : en remplaçant les électrodes pleines par des mousses poreuses, l’évaporation de l’eau n’est plus bloquée et peut se faire dans toutes les directions, ce qui a triplé le courant généré[37][38]. L’optimisation des électrodes (matériau, porosité, traitement de surface) est effectivement un levier important souvent sous-exploité jusqu’en 2024[41].
Approches multi-physiques : Comme l’illustre le couplage photocatalyse + humidité[20], combiner la génération hydrovoltaïque avec d’autres effets physiques peut grandement améliorer les performances. Certains chercheurs intègrent des matériaux photothermiques (ex: du noir de carbone, des nano-métaux) qui réchauffent localement le film sous la lumière solaire, accélérant l’évaporation de l’eau et donc le courant[59]. D’autres exploitent le refroidissement radiatif nocturne pour condenser de l’eau la nuit et la vaporiser le jour, assurant un cycle auto-entretenu jour/nuit de production énergétique[57]. Des systèmes hybrides combinant un panneau solaire le jour (production photovoltaïque + séchage du film) et un générateur d’humidité la nuit (grâce à la ré-adsorption d’eau) ont été proposés pour une génération d’électricité 24h/24 en climat désertique[57]. Par ailleurs, le couplage avec le triboélectrique est envisageable : des nanogénérateurs pourraient simultanément tirer parti des vibrations ou des gouttes de pluie en plus de l’humidité statique. Ces approches hybrides augmentent la robustesse de l’alimentation en exploitant plusieurs sources environnementales complémentaires.
Amélioration de la stabilité et de la durabilité : Des efforts sont orientés vers la protection des matériaux et l’auto-régénération. Par exemple, encapsuler partiellement un hydrogel dans un revêtement perméable sélectif pourrait réduire son dessèchement et le protéger de contaminants. L’introduction d’additifs antifongiques ou antioxydants pourrait prévenir la dégradation biologique ou chimique sur le long terme. Surtout, il est recommandé d’effectuer des tests d’endurance accélérés (cycles humides-secs, expositions prolongées) pour identifier les points faibles. Les rares études ayant examiné la génération sur plusieurs semaines soulignent l’importance de ce suivi : il faut s’assurer que les électrodes ne se corroderont pas, que les sels hygroscopiques ne se lessiveront pas, etc.[28]. À terme, la communauté vise des dispositifs capables de fonctionner en continu pendant des mois, ce qui nécessite de repenser parfois la chimie (par ex., utiliser des polymères ne se cassant pas au séchage, des MOFs reconnus pour leur stabilité cyclique, etc.).
Échelle et applications pratiques : Pour aller vers la commercialisation, il faut simplifier la fabrication et l’intégration de ces générateurs. Des pistes d’industrialisation incluent l’impression de films actifs (par spray ou encre conductrice contenant du matériau hygroscopique), ou l’utilisation de textiles intelligents (fibres tissées enduites de couches actives) pour obtenir des générateurs larges et flexibles[66]. L’alimentation de capteurs IoT basse consommation dans des environnements humides (forêts, serres agricoles, peau humaine pour les capteurs portables) est une cible réaliste à court terme. En parallèle, augmenter l’échelle de sortie (via des « banques » de modules en série/parallèle) permettra peut-être d’alimenter des LED, petites pompes ou communications sans fil de capteurs distants[60][62]. Finalement, ces générateurs d’un nouveau genre pourraient être combinés à des dispositifs de collecte d’eau atmosphérique pour fournir à la fois de l’eau propre et de l’électricité dans des régions reculées – une synergie intéressante pour répondre à deux besoins vitaux simultanément.

En conclusion, les films minces générateurs d’électricité à partir de l’humidité sont passés en quelques années d’une curiosité de laboratoire (démontrant quelques millivolts sur du graphène oxyde humide) à des dispositifs beaucoup plus performants (plusieurs volts ou milliampères, fonctionnement continu sur jours). Les matériaux à base de nitrure de carbone graphitique (g‑C₃N₄) ont joué un rôle clé dans ces avancées, que ce soit en tant que couche active sensible à l’humidité ou comme catalyseur pour prolonger le fonctionnement[20][18]. Parallèlement, de nouvelles classes de matériaux (MXenes, MOFs, biomatériaux) et des composites ingénieux ont élargi les possibilités, chacun apportant sa pierre (par ex. fort potentiel de surface pour les MOFs[40], haute conductivité pour les MXenes[12], richesse fonctionnelle pour les polymères naturels[44]). Les défis ne sont pas entièrement levés, mais les tendances récentes en recherche indiquent que par l’innovation matérielle, la conception multi-couches et la combinaison synergique de phénomènes, ces générateurs pourraient bientôt fournir des sources d’énergie durables pour de nombreuses applications, de l’électronique portable aux capteurs autonomes en passant, pourquoi pas, par des systèmes de récupération d’énergie environnementale à grande échelle. Les prochaines années verront sans doute l’optimisation continue de ces dispositifs en quête de performances accrues, d’une plus grande robustesse et d’une viabilité pratique dans notre quotidien connecté et soucieux de durabilité.

Sources principales : Yang et al., Nat. Commun. 15, 3329 (2024)[45][46]; Duan et al., Nat. Commun. 16, 239 (2025)[20][22]; Ni et al., Nano Res. 17, 5578 (2024)[18]; Jiao et al., J. Mater. Chem. A 2025 (à paraître)[33][35]; Zhang et al., Nat. Commun. 16, 9597 (2025)[37][40]; Revue par Li et al., Microstructures 5, 2025080 (2025)[8][29].

[1] [3] [4] [5] [9] [10] [20] [21] [22] [23] [48] [49] [50] [51] [53] [54] [55] [65] [66] Moisture-based green energy harvesting over 600 hours via photocatalysis-enhanced hydrovoltaic effect | Nature Communications

https://www.nature.com/articles/s41467-024-55516-z?error=cookies_not_supported&code=3d3ef111-5095-461b-ba92-d7c29758ef6d

[2] [15] [16] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [56] [58] Self-powered flexible Janus-like metal–organic framework membrane for sustainable moisture-enabled electrokinetic energy harvesting – Journal of Materials Chemistry A (RSC Publishing) DOI:10.1039/D5TA06289F

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2025/ta/d5ta06289f

[6] [63] Sustainable and photoresponse triboelectric nanogenerators based …

https://link.springer.com/article/10.1007/s10854-023-10940-7

[7] Flexible Triboelectric Nanogenerators based on Hydrogel/g-C3N4 …

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.3c17463

[8] [11] [12] [24] [25] [26] MXene-based hydrovoltaic electricity generators and their coupling with other energy harvesting systems

https://f.oaes.cc/xmlpdf/9aec7cee-5b6c-46c7-8d28-a5be426c2ca2/microstructures40207.pdf

[13] [14] [27] [28] [29] [30] [59] MXene-based hydrovoltaic electricity generators and their coupling with other energy harvesting systems

https://www.oaepublish.com/articles/microstructures.2024.207

[17] [18] [19] Sensitive humidity sensor based on moisture-driven energy generation | Nano Research

https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-024-6499-3

[37] [38] [39] [40] [41] Design of direction-independent hydrovoltaic electricity generator based on all-foam asymmetric electrode | Nature Communications

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64644-z?error=cookies_not_supported&code=2cc22551-491b-4731-81d7-05a4954266ab

[42] [43] [44] [45] [46] [47] [60] [61] [62] Green moisture-electric generator based on supramolecular hydrogel with tens of milliamp electricity toward practical applications | Nature Communications