水資源匱乏和能源短缺是挑戰(zhàn)人類社會(huì)生存底線的嚴(yán)重威脅。將太陽能界面光熱水蒸發(fā)與熱電 (TE) 技術(shù)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?cè)谥苽湎冗M(jìn)的光熱材料或設(shè)計(jì)新型蒸發(fā)裝置等研究方面取得了重大進(jìn)展。然而傳統(tǒng)蒸發(fā)器受晝夜循環(huán)的影響，只能間歇性運(yùn)行，當(dāng)光照強(qiáng)度較低時(shí)（例如陰天)，因受熱不充分，其蒸發(fā)性能會(huì)顯著降低（甚至降低~60%）。另外，即便在強(qiáng)烈的陽光照射下，高溫蒸發(fā)器的充足熱量也會(huì)不可避免地泄漏到環(huán)境中，導(dǎo)致太陽能利用效率低下。因此，開發(fā)具有熱量管理功能的蒸發(fā)器是彌補(bǔ)其因受晝夜循環(huán)和太陽輻射不確定性而導(dǎo)致蒸發(fā)性能問題低下的有效途徑。
近年來，瞿金平院士華中大團(tuán)隊(duì)牛冉研究員及其合作者致力于太陽能界面水蒸發(fā)及其與熱電集成的研究，開發(fā)了多種類型的復(fù)合蒸發(fā)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(xué)的啟發(fā)，瞿金平院士華中大團(tuán)隊(duì)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(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)高效的策略制備了一種具有三明治結(jié)構(gòu)的全天候蒸發(fā)器(MCMX)，并將其用于水電聯(lián)產(chǎn) (圖1)。該蒸發(fā)器的頂層和底層由MnO2改性的棉布(MC)組成，用于光熱轉(zhuǎn)換和水傳輸，而中間層由相變微膠囊/水凝膠復(fù)合材料(PCL)組成，用于儲(chǔ)熱和放熱 (圖2和3)。在1 kW m-2的太陽光照下，MCMX蒸發(fā)器表現(xiàn)出2.67 kg m-2 h-1的高蒸發(fā)率以及89.5%的蒸發(fā)效率。在黑暗中，從相變層釋放的熱量可以支持蒸發(fā)器0.43 kg m-1 h-1的蒸發(fā)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(wěn)定輸出0.42 W m-1的電功率，并在黑暗下延長(zhǎng)輸出電壓30 min (圖5和6)。在戶外實(shí)驗(yàn)中，MCMX蒸發(fā)器的產(chǎn)水速率達(dá)到0.77 kg m-2 h-1，八臺(tái)設(shè)備串聯(lián)產(chǎn)生的電力可以在白天和晚上為電子計(jì)算器、計(jì)時(shí)器或風(fēng)扇供電 (圖7)。該仿生太陽能蒸發(fā)器可以提高太陽能的整體利用率，為實(shí)現(xiàn)全天候淡水和電力生產(chǎn)開辟了一條新的途徑。
圖1受防凍蛋白啟發(fā)的MnO2基全天候太陽能蒸發(fā)器用于產(chǎn)水和發(fā)電的示意圖
圖2 (a) MCSX蒸發(fā)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(biāo)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(fā)器的(l) 抗摩擦能力，(m) 不同層之間的強(qiáng)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(guān)燈模式下的表面溫度曲線; (c)在1 kW m-2光照或關(guān)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(fā)裝置在太陽光照(1 kW m-2)或關(guān)燈模式下溫度分布
圖4 (a) 全天候太陽能界面蒸發(fā)和熱電發(fā)電示意圖; (b) 水的質(zhì)量變化和(c) 各種蒸發(fā)器在開燈或關(guān)燈模式下的蒸發(fā)速率; (d) 蒸發(fā)器在1 kW m-2太陽光照下的蒸發(fā)效率和相變微膠囊的利用率; (e) MCS1的蒸發(fā)性能與先前報(bào)道的太陽能蒸發(fā)器做比較; (f) MCS1和MC在不同太陽光照強(qiáng)度下生產(chǎn)淡水的質(zhì)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(fā)速率(太陽能強(qiáng)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(zhǎng)的照片; 在1 kW m-2的開關(guān)燈循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，蒸發(fā)器的(e) 表面溫度，(f) 產(chǎn)水質(zhì)量變化以及(g) 產(chǎn)生淡水的實(shí)物照片; (h) MCS1在8小時(shí)內(nèi)蒸發(fā)性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定性; (i) 在連續(xù)水蒸發(fā)下MCS1表面的鹽沉積照片
圖6 (a) 用于水電聯(lián)產(chǎn)的裝置示意圖; (b) 在1 kW m-2光照下，裝置的循環(huán)光響應(yīng)曲線; 裝置在開燈和關(guān)燈模式的(c)表面溫度、(d) 開路電壓和(e) 短路電流曲線; (f) 設(shè)備在不同強(qiáng)度太陽光照射下的功率密度; (g) 組裝裝置的發(fā)電性能與文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比; (h) 在不同下表面溫度時(shí)，混合裝置的開路電壓; (i) 混合裝置在不同水質(zhì)中的耐用性(太陽能強(qiáng)度 1 kW m-2)
圖7 (a) 戶外實(shí)驗(yàn)中的界面太陽能驅(qū)動(dòng)的水蒸發(fā)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(fā)裝置中的照片; (e-h) 前60分鐘蒸發(fā)過程中冷凝水生成的照片; (i) 白天太陽光強(qiáng)度和環(huán)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(gè)混合裝置串聯(lián)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)、計(jì)時(shí)器和計(jì)算器運(yùn)行的光學(xué)圖像
相關(guān)工作以Bio-Inspired Sandwich-Structured All-Day-Round Solar Evaporator for Synergistic Clean Water and Electricity Generation發(fā)表在Advanced Energy Materials (中科院1區(qū)，影響因子27.8)。論文第一作者為華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院牛冉研究員，論文通訊作者為龔江研究員(華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院)和閔嘉康博士(新加坡國立大學(xué))。論文作者還包括任佳欣(21級(jí)碩士生)、陳玲(22級(jí)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(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目以及華中科技大學(xué)人才引進(jìn)啟動(dòng)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
