CEJ|霍夫迈斯特效应介导水凝胶蒸发器用于太阳能蒸发和热发电

研究背景

人口的快速增长、污染和恶劣天气的增加加剧了全球水和能源的短缺。其中，大部分地区的基础设施不足，特别是在偏远和农村地区。在此背景下，开发高性价比的水处理和发电技术一直是研究热点。通过利用可再生太阳能，界面太阳能驱动蒸发(ISDE)以低成本和简单的设置很好地用于海水淡化和水净化。特别是与摩擦电模块、热电模块和光伏电池等其他技术的集成，实现了太阳能到电力的转换，同时解决了水和能源短缺问题。目前，光热材料和蒸发装置的设计一直是问题的核心。对于理想的蒸发器，通常要求高光热转化率，快速供水和高效的热利用。大量具有高光吸收率的光热材料被开发出来，包括碳基材料、窄带隙半导体、等离子体材料和共轭聚合物。此外，为了从散装水中快速供水，蒸发器中加入了各种精心设计的纳米/微尺寸结构，通常是模拟植物的垂直排列通道和商业多孔支架(例如聚氨酯海绵和泡沫)。近年来，多孔水凝胶以其固有的亲水性和降低蒸发焓的优点成为构建先进太阳能蒸发器的新星。近日，华中科技大学牛冉研究员团队以聚乙烯醇（PVA）作为示例，通过冷冻浸泡方法制造出分子和微孔结构可调的多孔水凝胶（PC-x），用于ISDE。受阳离子和阴离子种类和浓度的调控。所获得的水凝胶表现出可调的机械性能、结晶度、水传输速率和水状态。

相关成果以“Hofmeister effect mediated hydrogel evaporator for simultaneous solar evaporation and thermoelectric power generation”为题发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》(JCR一区，中科院一区TOP，IF=15.1)上。

研究结论

研究人员展示了一种通过冷冻浸泡制备多孔水凝胶的简单且易于扩展的方法。阴离子的种类对其力学性能、输水速率和水态有很好的调节作用。其中，PC-SO 4 2-水凝胶具有良好的光吸收率和光热转化率，蒸发器的蒸发速率为3.52 kg m -2h −1，效率为97.2%。此外，微孔结构使水凝胶在处理海水时具有优异的脱盐性能。与热电发电集成后，在1次太阳照射下，输出功率密度为0.65 W m −2。更重要的是，该方法也适用于其他种类的多孔水凝胶蒸发器，如明胶和海藻酸钠。因此，本工作提出了一种可调分子和微孔结构的多孔水凝胶的通用制备方法，可用于能量转换、组织工程、水净化、传感等领域。

研究数据

图1. (a)利用冷冻浸泡法制造PC-x水凝胶的示意图，用于太阳能蒸汽和热电联产；(b) PC- SO42 -水凝胶和(c)树叶上气凝胶的光学图像。(d1-d3)PC- SO42- 、(e1-e3) PC- CO32 -、(f1-f3) PC-Ac-在不同放大倍数下的SEM图像。

图2. (a)在1 M钠盐中形成的PC-x水凝胶的振荡剪切测量的储存和损失模量；(b)显示PC- SO42 -水凝胶柔韧性的照片；(c)在1 M钠盐中形成的PC-x水凝胶的典型应力应变曲线；(d)阴离子调节PC-x水凝胶的拉伸强度和模量；(e) PC-x水凝胶的XRD图谱；(f) PC-x水凝胶结晶度；(g)PC- SO42 -、(h) PC- CO32 -、(i) PC-Ac-湿态水接触角(视频S1)；(j) PC- SO42 --、对照组和纯PVA的紫外-可见红外吸收曲线；(k) 1次太阳照射下PC- SO42 -、对照组和纯PVA的光热转化率；(1) COMSOL模拟对照组(左)和PC- SO42 -(右)的温度分布。

图3. (a)水质量随时间的变化，(b) PC-x水凝胶在1 kW m−2下的蒸发速率和效率；(c)不同体积水在1个太阳下PC- SO42 - 的蒸发速率；(d)含染料水和收集的淡水的紫外可见光谱，插图展示了水蒸发前后的照片；(e)海水和冷凝水中典型金属离子的浓度；(f)不同强度太阳光照下PC- SO42 - 的水质量变化，插图显示了2个太阳下产生的蒸汽；(g) 10个循环期间使用PC- SO42 - 的海水蒸发速率，附图显示了第10个周期的质量损失与时间的关系；(h) 1次太阳照射下5 h内质量随时间的变化；(i)连续水分蒸发下PC- SO42 - 上的盐降水照片；(j)PC- SO42 -上表面加载NaCl晶体时的暗色除盐照片。

图4. (a) PC-x水凝胶中的水态示意图；(b) PC-SO4 2-的拉曼光谱，拟合峰表示中间水和自由水；(c) PC-x水凝胶的中间水(IW)与游离水(FW)之比；(d)带有拟合峰的DSC曲线显示PC-x水凝胶的熔化行为；(e) DSC测量所得的IW、FW和BW的比例；(f) PC-x在黑暗下的质量损失；(g)纯水和PC-x水凝胶的DSC曲线；(h)水和PC-x的蒸发焓，PC-x蒸发器和纯水性能的比较。

图5. (a)同时进行太阳能蒸汽和电力热电联产的装置示意图；(b)混合装置在开灯和关灯模式下的温差(ΔT)和电压(1 Sun)；(c)不同太阳辐照强度下混合装置的开路电压和(d)表面温差曲线；(e)混合装置在不同较低表面温度下产生的开路电压；(f)不同太阳强度下混合装置的电流-电压图和(g)功率密度；(h)太阳辐照下不同混合光热装置的性能评价(表S3)；(i) 1个太阳光照下海水和湖水混合装置的长期稳定性。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141511

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