水资源匮乏和能源短缺是挑战人类社会生存底线的严重威胁。将太阳能界面光热水蒸发与热电 (TE) 技术集成是解决上述问题的最佳方案之一 (Nat. Energy 3 (2018) 1031-1041; Energy Environ. Sci. 15 (2022) 3388-3399)。到目前为止，人们在制备先进的光热材料或设计新型蒸发装置等研究方面取得了重大进展。然而传统蒸发器受昼夜循环的影响，只能间歇性运行，当光照强度较低时（例如阴天)，因受热不充分，其蒸发性能会显著降低（甚至降低~60%）。另外，即便在强烈的阳光照射下，高温蒸发器的充足热量也会不可避免地泄漏到环境中，导致太阳能利用效率低下。因此，开发具有热量管理功能的蒸发器是弥补其因受昼夜循环和太阳辐射不确定性而导致蒸发性能问题低下的有效途径。
近年来，瞿金平院士华中大团队牛冉研究员及其合作者致力于太阳能界面水蒸发及其与热电集成的研究，开发了多种类型的复合蒸发器 (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，受抗冻甲虫生物学的启发，瞿金平院士华中大团队牛冉研究员、新加坡国大闵嘉康博士、华中大龚江研究员合作，通过简便、经济高效的策略制备了一种具有三明治结构的全天候蒸发器(MCMX)，并将其用于水电联产 (图1)。该蒸发器的顶层和底层由MnO2改性的棉布(MC)组成，用于光热转换和水传输，而中间层由相变微胶囊/水凝胶复合材料(PCL)组成，用于储热和放热 (图2和3)。在1 kW m-2的太阳光照下，MCMX蒸发器表现出2.67 kg m-2 h-1的高蒸发率以及89.5%的蒸发效率。在黑暗中，从相变层释放的热量可以支持蒸发器0.43 kg m-1 h-1的蒸发速率，是纯水的3.6倍(图4和5)。与热电模块组合后的混合装置在1 kW m-2太阳光照下可稳定输出0.42 W m-1的电功率，并在黑暗下延长输出电压30 min (图5和6)。在户外实验中，MCMX蒸发器的产水速率达到0.77 kg m-2 h-1，八台设备串联产生的电力可以在白天和晚上为电子计算器、计时器或风扇供电 (图7)。该仿生太阳能蒸发器可以提高太阳能的整体利用率，为实现全天候淡水和电力生产开辟了一条新的途径。
图1受防冻蛋白启发的MnO2基全天候太阳能蒸发器用于产水和发电的示意图
图2 (a) MCSX蒸发器的示意图; (b和c) MC膜和(d和e) PCL层的SEM图像; (e) 中的红色虚线标记微胶囊之间的间距; (f) 微胶囊的TEM图像; (g) MC和棉布的XPS总谱; (h) MC的特征Mn 2p XPS谱图; (i)MC和棉布在空气中的TGA曲线; (j) 相变微胶囊的DSC曲线; (k) MC和PCL的水接触角; 照片显示MCS1蒸发器的(l) 抗摩擦能力，(m) 不同层之间的强附着力，以及(n) 压缩性能
图3 (a) MC和棉布的UV-vis-NIR吸收曲线; (b)样品在1 kW m-2光照和关灯模式下的表面温度曲线; (c)在1 kW m-2光照或关灯模式下MCS1和MCS3的中间和底部温度曲线; (d) MC、(e) MCS1和(f) MCS3温度分布的红外图像; COMSOL模拟(g) MCS1和(h) MCS3蒸发装置在太阳光照(1 kW m-2)或关灯模式下温度分布
图4 (a) 全天候太阳能界面蒸发和热电发电示意图; (b) 水的质量变化和(c) 各种蒸发器在开灯或关灯模式下的蒸发速率; (d) 蒸发器在1 kW m-2太阳光照下的蒸发效率和相变微胶囊的利用率; (e) MCS1的蒸发性能与先前报道的太阳能蒸发器做比较; (f) MCS1和MC在不同太阳光照强度下生产淡水的质量变化 (光照60分钟，黑暗30分钟)
图5 (a) MCS1在不同水源中的蒸发速率(太阳能强度 1 kW m-2); (b) 染料水和冷凝淡水的紫外-可见吸收光谱; (c) 海水和冷凝淡水中主要金属离子的浓度; (d) 绿豆在冷凝水(左)或海水(右)中生长的照片; 在1 kW m-2的开关灯循环实验中，蒸发器的(e) 表面温度，(f) 产水质量变化以及(g) 产生淡水的实物照片; (h) MCS1在8小时内蒸发性能的长期稳定性; (i) 在连续水蒸发下MCS1表面的盐沉积照片
图6 (a) 用于水电联产的装置示意图; (b) 在1 kW m-2光照下，装置的循环光响应曲线; 装置在开灯和关灯模式的(c)表面温度、(d) 开路电压和(e) 短路电流曲线; (f) 设备在不同强度太阳光照射下的功率密度; (g) 组装装置的发电性能与文献进行对比; (h) 在不同下表面温度时，混合装置的开路电压; (i) 混合装置在不同水质中的耐用性(太阳能强度 1 kW m-2)
图7 (a) 户外实验中的界面太阳能驱动的水蒸发装置示意图; (b) MCS1的照片(直径=12 cm); (c和d) MCS1在自制太阳能蒸发装置中的照片; (e-h) 前60分钟蒸发过程中冷凝水生成的照片; (i) 白天太阳光强度和环境温度的变化曲线; (j) 清洁水生成速率和累积生成量曲线; (k) 室外海水淡化中四种主要阳离子的去除能力; 在室外 (l) 太阳光照射或 (m) 阴天模式下的热电装置; 在户外(n) 光照或(o) 阴天模式下，八个混合装置串联驱动风扇旋转、计时器和计算器运行的光学图像
相关工作以Bio-Inspired Sandwich-Structured All-Day-Round Solar Evaporator for Synergistic Clean Water and Electricity Generation发表在Advanced Energy Materials (中科院1区，影响因子27.8)。论文第一作者为威尼斯电子游戏大厅牛冉研究员，论文通讯作者为龚江研究员(威尼斯电子游戏大厅)和闵嘉康博士(新加坡国立大学)。论文作者还包括任佳欣(21级硕士生)、陈玲(22级博士生)和瞿金平院士，以及Justin Koh, Xiaodong Xu和Jalal Azadmanjiri。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发项目以及威尼斯电子游戏大厅人才引进启动基金的资助。
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
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202302451
