水資源匱乏和能源短缺是挑戰人類社會生存底線的嚴重威脅。將太陽能界面光熱水蒸發與熱電 (TE) 技術集成是解決上述問題的最佳方案之一 (Nat. Energy 3 (2018) 1031-1041; Energy Environ. Sci. 15 (2022) 3388-3399)。到目前為止，人們在制備先進的光熱材料或設計新型蒸發裝置等研究方面取得了重大進展。然而傳統蒸發器受晝夜循環的影響，只能間歇性運行，當光照強度較低時（例如陰天)，因受熱不充分，其蒸發性能會顯著降低（甚至降低~60%）。另外，即便在強烈的陽光照射下，高溫蒸發器的充足熱量也會不可避免地泄漏到環境中，導致太陽能利用效率低下。因此，開發具有熱量管理功能的蒸發器是彌補其因受晝夜循環和太陽輻射不確定性而導致蒸發性能問題低下的有效途徑。
近年來，瞿金平院士華中大團隊牛冉研究員及其合作者致力于太陽能界面水蒸發及其與熱電集成的研究，開發了多種類型的復合蒸發器 (Chemical Engineering Journal 458 (2023) 141511; Chemical Engineering Journal 454 (2023) 140383; Chemical Engineering Journal 451 (2023) 138534; Energy & Environmental Materials 6 (2023) e12376; Small (2023) 230091; Small 18 (2023) 2200175)。在最近的工作中，受抗凍甲蟲生物學的啟發，瞿金平院士華中大團隊牛冉研究員、新加坡國大閔嘉康博士、華中大龔江研究員合作，通過簡便、經濟高效的策略制備了一種具有三明治結構的全天候蒸發器(MCMX)，并將其用于水電聯產 (圖1)。該蒸發器的頂層和底層由MnO2改性的棉布(MC)組成，用于光熱轉換和水傳輸，而中間層由相變微膠囊/水凝膠復合材料(PCL)組成，用于儲熱和放熱 (圖2和3)。在1 kW m-2的太陽光照下，MCMX蒸發器表現出2.67 kg m-2 h-1的高蒸發率以及89.5%的蒸發效率。在黑暗中，從相變層釋放的熱量可以支持蒸發器0.43 kg m-1 h-1的蒸發速率，是純水的3.6倍(圖4和5)。與熱電模塊組合后的混合裝置在1 kW m-2太陽光照下可穩定輸出0.42 W m-1的電功率，并在黑暗下延長輸出電壓30 min (圖5和6)。在戶外實驗中，MCMX蒸發器的產水速率達到0.77 kg m-2 h-1，八臺設備串聯產生的電力可以在白天和晚上為電子計算器、計時器或風扇供電 (圖7)。該仿生太陽能蒸發器可以提高太陽能的整體利用率，為實現全天候淡水和電力生產開辟了一條新的途徑。
圖1受防凍蛋白啟發的MnO2基全天候太陽能蒸發器用于產水和發電的示意圖
圖2 (a) MCSX蒸發器的示意圖; (b和c) MC膜和(d和e) PCL層的SEM圖像; (e) 中的紅色虛線標記微膠囊之間的間距; (f) 微膠囊的TEM圖像; (g) MC和棉布的XPS總譜; (h) MC的特征Mn 2p XPS譜圖; (i)MC和棉布在空氣中的TGA曲線; (j) 相變微膠囊的DSC曲線; (k) MC和PCL的水接觸角; 照片顯示MCS1蒸發器的(l) 抗摩擦能力，(m) 不同層之間的強附著力，以及(n) 壓縮性能
圖3 (a) MC和棉布的UV-vis-NIR吸收曲線; (b)樣品在1 kW m-2光照和關燈模式下的表面溫度曲線; (c)在1 kW m-2光照或關燈模式下MCS1和MCS3的中間和底部溫度曲線; (d) MC、(e) MCS1和(f) MCS3溫度分布的紅外圖像; COMSOL模擬(g) MCS1和(h) MCS3蒸發裝置在太陽光照(1 kW m-2)或關燈模式下溫度分布
圖4 (a) 全天候太陽能界面蒸發和熱電發電示意圖; (b) 水的質量變化和(c) 各種蒸發器在開燈或關燈模式下的蒸發速率; (d) 蒸發器在1 kW m-2太陽光照下的蒸發效率和相變微膠囊的利用率; (e) MCS1的蒸發性能與先前報道的太陽能蒸發器做比較; (f) MCS1和MC在不同太陽光照強度下生產淡水的質量變化 (光照60分鐘，黑暗30分鐘)
圖5 (a) MCS1在不同水源中的蒸發速率(太陽能強度 1 kW m-2); (b) 染料水和冷凝淡水的紫外-可見吸收光譜; (c) 海水和冷凝淡水中主要金屬離子的濃度; (d) 綠豆在冷凝水(左)或海水(右)中生長的照片; 在1 kW m-2的開關燈循環實驗中，蒸發器的(e) 表面溫度，(f) 產水質量變化以及(g) 產生淡水的實物照片; (h) MCS1在8小時內蒸發性能的長期穩定性; (i) 在連續水蒸發下MCS1表面的鹽沉積照片
圖6 (a) 用于水電聯產的裝置示意圖; (b) 在1 kW m-2光照下，裝置的循環光響應曲線; 裝置在開燈和關燈模式的(c)表面溫度、(d) 開路電壓和(e) 短路電流曲線; (f) 設備在不同強度太陽光照射下的功率密度; (g) 組裝裝置的發電性能與文獻進行對比; (h) 在不同下表面溫度時，混合裝置的開路電壓; (i) 混合裝置在不同水質中的耐用性(太陽能強度 1 kW m-2)
圖7 (a) 戶外實驗中的界面太陽能驅動的水蒸發裝置示意圖; (b) MCS1的照片(直徑=12 cm); (c和d) MCS1在自制太陽能蒸發裝置中的照片; (e-h) 前60分鐘蒸發過程中冷凝水生成的照片; (i) 白天太陽光強度和環境溫度的變化曲線; (j) 清潔水生成速率和累積生成量曲線; (k) 室外海水淡化中四種主要陽離子的去除能力; 在室外 (l) 太陽光照射或 (m) 陰天模式下的熱電裝置; 在戶外(n) 光照或(o) 陰天模式下，八個混合裝置串聯驅動風扇旋轉、計時器和計算器運行的光學圖像
相關工作以Bio-Inspired Sandwich-Structured All-Day-Round Solar Evaporator for Synergistic Clean Water and Electricity Generation發表在Advanced Energy Materials (中科院1區，影響因子27.8)。論文第一作者為華中科技大學化學與化工學院牛冉研究員，論文通訊作者為龔江研究員(華中科技大學化學與化工學院)和閔嘉康博士(新加坡國立大學)。論文作者還包括任佳欣(21級碩士生)、陳玲(22級博士生)和瞿金平院士，以及Justin Koh, Xiaodong Xu和Jalal Azadmanjiri。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發項目以及華中科技大學人才引進啟動基金的資助。
文章信息：Ran Niu, Jiaxin Ren, Junqiang Justin Koh, Ling Chen, Jiang Gong*, Jinping Qu, Xiaodong Xu, Jalal Azadmanjiri, Jiakang Min*. Bio-inspired sandwich-structured all-day-round solar evaporator for synergistic clean water and electricity generation. Advanced Energy Materials (2023) doi: 10.1002/aenm.202302451
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202302451
