AM|聚电解质水凝胶功能化光热海绵可以同时实现连续的太阳能脱盐和发电，而不积累盐

研究背景

随着世界气候变化、经济发展和人口增长，许多国家面临着天然淡水资源和可持续电力严重短缺的问题。太阳能驱动的海水蒸发并行清洁水和发电是同时解决这些迫在眉睫的问题的理想解决方案，因为太阳能是一种取之不尽的能源，海洋是地球上最大的水库。近年来，太阳能驱动的界面水蒸发的概念被广泛探索，以从海水或污水中获得清洁的水。这种成本效益高的技术提供了一体化的解决方案，其中多种功能，包括阳光收集、太阳能-热转换、液体吸芯、水流调节和自浮被集成到一个单一的系统中。由于能够被光热材料吸收的光子的数量没有热力学限制，因此到达光热材料的99%以上的阳光可以直接用于热生成。因此，由于这种较高的光热转换，以及对环境和散装水的热损失最小化，可以实现接近100%的太阳能-蒸汽转换效率。

除了合理的能源管理外，通过精心设计的水凝胶降低水蒸发焓，可以在相同的太阳能输入下前所未有地提高太阳能-蒸汽发电性能。水凝胶中的亲水官能团可以通过氢键捕获水分子，以调节水态和相变行为。通过在水凝胶中定制构建块，如官能团/添加剂、聚合物/单体骨架和交联剂，可以在自由水和结合水凝胶网络中产生中间水，从而在自然阳光下蒸发更快。然而，现有的水凝胶基材料的拉伸性较差，在变形过程中容易被破坏。为了促进这些水凝胶的实际应用，需要显著提高其机械性能和可伸缩性以及制备方法的简单性。此外，使水凝胶的额外功能，如发电在界面太阳蒸发过程中产生，可以为各种和有吸引力的应用程序开辟新的途径。

由于界面太阳蒸发涉及到水的蒸发，因此可以创建蒸发诱导发电系统，并纳入太阳能界面蒸发系统。例如，太阳蒸发过程中产生的热能可以通过热释电、压电和摩擦电效应直接或间接地用于发电。不幸的是，这些技术在发电能力和不可持续的电力输出方面有自己的局限性。另一种与水蒸发同时发电的新技术是利用蒸发引起的盐度梯度，通过膜的离子选择。然而，它的蒸发速率只有1.1kgm -2h -1，值约为太阳热效率的75%。此外，基于纳米通道内蒸发驱动水流的水光伏技术可以诱导载流子浓度梯度产生持续的电力，而由于水光伏过程供水的限制，它不能同时产生相当多的清洁水。因此，必须开发新的策略来实现快速蒸发和连续发电。为了实现这一点，精心设计和制造多功能光热材料/水凝胶是至关重要的。

石墨烯基材料在从可见光到红外范围的宽带吸收方面表现出优越的性能和优异的稳定性，使其成为理想的太阳能吸收器。然而，石墨烯作为一种光热材料，在红外范围内通常面临着高发射率的问题，导致了巨大的热辐射损失，以及整体光热效率的显著降低。碳点（CDs）作为一种典型的碳荧光材料，具有类分子行为和离域电子结构。在石墨烯基材料上加载CDs不仅抑制了石墨的红外发射率，而且还为水的活化提供了更多的亲水性官能团。因此，与石墨烯-CDs混合材料相比，它有望实现更高的太阳热转换效率和更快的水蒸发速率。

相关成果以“Polyelectrolyte Hydrogel-Functionalized Photothermal Sponge Enables Simultaneously Continuous Solar Desalination and Electricity Generation without Salt Accumulation”为题发表在国际知名期刊《ADVANCED MATERIALS》(中科院一区TOP，IF=29.4)上。

研究结论

本文通过合理设计聚电解质水凝胶化光热海绵，提出了一种具有高效喷射和连续发电的新型双功能蒸发器耦合器。该蒸发器不仅具有前所未有的3.53 kg m −2 h −1的高蒸发速率和98.6%的太阳能转换效率，而且在高浓度盐水中，在一个太阳照射下，可以长时间不间断地输出0.972 V的电压和172.38µA•cm -2的电流密度。此外，GMS@HCDs单元可以通过简单的并行或串联连接来放大，以为一系列常见的电子设备供电。GMS@HCDs的水分蒸发是维持PSS和PVA水凝胶中质子浓度梯度和定向转运的关键。控制实验表明，IW区域的水质子浓度场可以在溶质溶质化的FW区域诱导额外的离子电场，从而提高电输出量。鉴于其低成本的材料、简单的自再生设计、可伸缩的制造工艺和稳定的性能，这项工作为解决淡水资源和可持续电力的短缺问题提供了一个很有前途的策略。

研究数据

图1：样品的制备过程和光学吸收。a)GMS@HCDs的吸收光谱示意图；b)MS、GMS和GMS@HCDs的UV-vis-NIR吸收光谱

图2：太阳界面蒸发性能。a)在一个太阳条件下，水分蒸发量随时间的质量变化；b)不同蒸发系统的表面温度和散装水vs。一次太阳下的辐照时间（左）和相应的红外照片（右）；c)的水蒸发速率和太阳能-蒸汽效率的比较；d)在不改变CDs含量的情况下，rGO质量对GMS@HCDs蒸发性能的影响；e）制备GMS@HCDs的CDs浓度对其蒸发性能的影响；f)一次太阳下水蒸发质量和表面温度随时间的变化；g）暗实验得到的DSC测量的水蒸发焓值；h)拉曼光谱显示了GMS@HCDs中代表IW和FW的拟合峰。

图3：在盐水中的防盐功能和耐久性。a)GMS@HCDs在大盐度范围内的蒸发性能；b)GMS@HCDs在自然阳光辐照度下的17.5 wt%氯化钠溶液中连续暴露10小时的典型照片；c)GMS@HCDs在17.5 wt%氯化钠盐水中的耐久性。

图4：蒸发器的电输出性能。a)电力采集原理示意图；b)真实海水中GMS@HCDs的电压和电流输出以及水蒸发量随时间的变化；c)17中GMS@HCDs的功率密度输出。5 wt%氯化钠溶液；d）GMS@HCDs与已知发电机输出功率的比较；e）盐水盐度对GMS@HCDs电压和电流输出的影响；f）GMS@HCDs电阻对盐水盐度的依赖关系；g）阴离子对GMS@HCDs电压和电流输出的影响；h）阳离子对GMS@HCDs电压和电流输出的影响。

图5：连续发电的机制。a)无水蒸发的GMS@HCDs水发电示意图；b)GMS@HCDs中蒸发驱动连续发电示意图；c)GMS@HCDs表面盐水滴的电压响应和GMS@HCDs对光源开关的电流响应；d)GMS@HCDs在不同条件（无照明、密封表面和水中）下的电输出性能。

图6：各种离子对发电机制的影响。a)氯化钠溶液对GMS、HCDs中连续发电的影响示意图；b)氢氧化钠溶液对GMS、HCDS中连续发电的影响示意图；c)去离子水中表面密封GMS、HCDs的电输出性能；d)氢氧化钠溶液中氯化钠、HCDs20天的发电试验。

图7：GMS@HCDs单元的集成和应用。a)串联和并联的GMS@HCDs单元的电力输出；b)四个PMEG单元串联，能够驱动电子计算器进行正常计算；c，d)在一个太阳(c)下串联60个单元和12个红色LED灯泡产生56.6 V的高输出电压；例如)17.5wt.%氯化钠溶液(e)，3.6 M盐酸溶液(f)，温度从1-95℃(g)。

https://doi.org/10.1002/adma.202401171

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