SusMat|调节共价有机框架水凝胶的被动界面冷却能力以提高淡水和发电能力

研究背景

经济的快速发展加剧了淡水和电力的短缺，威胁着未来的人类生存。尽管在过去的几十年里，各种绿色发电技术（例如风能、水电、光伏、压电和热电）和淡水生产技术（例如反渗透、催化氧化、离子交换和太阳蒸发），这些单一生产策略的成本高、效率低、土地占用面积大、应用有限等缺点显而易见。因此，为了避免这些问题，将这两种技术整合到一个以丰富海水为起始源的淡水和电力热电联产装置（FECGD）中非常重要，非常可取且可持续。

实现这种FECGD的一种方法是将热电发电机（TEG）和基于水凝胶的界面太阳能蒸汽发电（HB-ISSG）结合在一起，在太阳能热处理下，TEG可以发电，HB-ISSG可以产生淡水。TEG是一种半导体器件，它利用塞贝克效应通过直接将热通量（温差）转化为电能来发电。TEG的热侧和冷侧之间的温差越大，功率输出就越大。TEG因其低成本，使用寿命长，安全和对环境友好而广受认可。然而，大多数TEG装置的冷表面废热直接排放到空气或水中，导致能源浪费和环境退化。为了解决这些问题并提高热管理效率，将HB-ISSG接枝在TEG的冷表面上是一种有效的解决方案，因为水凝胶中的水蒸发具有被动界面冷却（PIC）的作用，导致冷热端之间的温差更大。虽然HB-ISSG具有成本低，零能耗，操作简单的优点，但在盐堵塞方面，它也存在与其他蒸发技术相同的问题，导致蒸发率低。这些已被用于解决耐盐性问题的策略包括疏水表面的制备、盐回流和结构耐盐性;然而，蒸发速率的降低被广泛接受。受聚丙烯酰胺阳离子水凝胶的启发可以从根本上防止盐的形成，一些共价有机框架（COFs）可以降低水分蒸发的焓，我们对COF改性的丙烯酰胺阳离子水凝胶（ACH-COFs）感兴趣。COF是一种多孔结晶材料，由多种有机前驱体反应形成。它们的高比表面积和亲水官能团使它们能够与水分子形成大量的氢键（HB），以改变水的蒸发焓。此外，COF材料具有灵活的功能可调性和结构设计能力，非常适合调节水凝胶中水的蒸发焓。

受红树林启发，其使用带负电荷的根系来实现耐盐性，并通过控制叶片蒸腾速率来调节其表面温度，可以开发具有可调谐被动界面冷却 （TPIC） 的耐盐 FECGD。以丙烯酰胺（AAm）和2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸钠（NaAMPS）为单体，通过COF限制共聚（CCCP）策略制备了ACH-COFs。AAm、NaAMPS和COFs孔道中丰富的氢键位点可以形成氢键互锁，保证ACH-COFs的耐久性和可重复使用性。基于ACH-COF优异的TPIC结合TEG余热面制备了FECGD。ACH-COFs与普通水凝胶组装的FECGD不同。FECGD利用Donnan效应和Marangoni效应实现了高耐盐性和高效的淡水热电联产。同时可以监控工作状态。通过理论模拟和户外实验证明了FECGD在淡水和电力热电联产中的可靠性。FECGD 的最大功率密度比商用 TEG 高出 4.3 倍，淡水生产能力为 2.74kg·m-2h-1.超高性能和易于放大，使其在商业应用中非常有前途。

相关成果以“Tuning on passive interfacial cooling of covalent organic framework hydrogel for enhancing freshwater and electricity generation”为题在国际知名期刊《SusMat》（IF=18.7,JCR一区，中科院一区）上发表。

研究结论

在这项研究中，展示了一种简单的COF限制共聚策略，可以在短时间内大量制备ACH-COF。通过调制ACH-COF中的杂环N原子来调节材料中水的蒸发焓，以实现可调的PIC。优化后的ACH-COF具有良好的机械性能、丰富的孔隙、高耐盐性、可调的汽化焓、抗污染、高蒸发率等诸多优点。单独用于蒸发的 ACH-COF-PD 可实现 4.2 kg·m−2h−1的高蒸发速率，并在25wt%（接近饱和的）盐水中蒸发8小时，没有任何盐分积累。

基于ACH-COF的可调蒸发散热能力制备的FECGD。具有环境监测功能的FECGD充分利用了TEG的热辅助蒸发，蒸发速率高达2.74 kg· m−2h−1。输出功率密度高达 2.28 W·m−2，是商业TEG的4.3倍。超高的耐盐性和优异的蒸发性能与唐南效应和马兰戈尼效应的综合作用密切相关。通过模拟和实验的结合验证了温度引发的水凝胶的马兰戈尼效应对蒸发的促进作用。这种“一石二鸟”的设计策略在户外实验中被证明具有可靠的实际应用潜力。ACH-COF-PD在海水淡化、热电发电、被动接口冷却、智能监控等方面表现出优异的性能。因此，通过COF限制共聚策略制备的多功能水凝胶应该具有广阔的市场应用潜力。

研究数据

图1：ACH-COFs的制备和表征。（A）基于CCCP策略的ACH-COFs制备机制图。（B 和 C）ACH-COF-PD的光学照片和扫描电子显微镜（SEM）图像。（D） ACH-COF-PD的SEM和相应的EDS元素图谱。（E） COF-PD的TEM图。（F 和 G）COF-PD的SEM图像。（H） COF的XRD光谱。（I） ACH和ACH-COFs的拉曼光谱。

图2：ACH-COF 的性能测试和水蒸发焓分析。(A) 水接触角（WCA）图像。(B) 蒸发装置。(C) 室外实验照片。(D 和 E) 室内实验的质量变化和蒸发率。(F 和 G) 室外实验的表现。(H) 主要离子浓度（东海）。(I) 紫外-可见-近红外光谱。(J) WCA 值。(K) 0°C 附近的差示扫描量热法（DSC）光谱。(L) 等效蒸发焓。

图3：淡水与电力联合发电装置（FECGD）的性能和结构优化。(A) FECGD-1 结构。(B 和 E) TEG@ACH-COF 的输出电压和蒸发率。(C 和 F）不同高度下 TEG@ACH-COF 的输出电压和蒸发率。(D 和 G) 不同太阳通量下 TEG@ACH-COF 的输出电压和蒸发率。(H）TEG@ACH-COF-PD 的最大输出功率密度。(I) FECGD-2 结构。(J-N) TEG@ACH-COF 的十二种装配结构以及相应的输出电压和蒸发率。

图4：ACH-COF-PD 的传感和监测功能。(A 和 B) 多次拉伸/释放和压缩/释放循环测试的 ΔR/R0 值。(C 和 D) 不同水深下的ΔR/R0 值。(E) 莫尔斯码表。(F) 水下 “SOS ”摩尔斯电码。(G) 水下 “WHO ”的摩尔斯电码。(H-K) 不同水温下的红外热图和ΔR/R0 值。(L-O) 淡水和电力联合发电装置（FECGD）温度监测示意图和运行状况监测数据。

图5：TEG@ACH-COF 的热管理和耐盐性分析。(A 和 B) 碳和半导体材料的光热机制。(C) 紫外-可见-近红外（UV-vis-NIR）光谱。(D 和 E) ACH-COF-PD 和 TEG@ACH-COF-PD 的红外热图。(F）不同光通量下 TEG@ACH-COF-PD 的红外热图。(G) 带负电荷的聚合物链诱导唐南效应的抗盐机理图。(H) 马兰戈尼效应机理图。

图6：TEG@ACH （左）和 TEG@ACH-COF-PD （右）的三维和二维模拟图像。(A 和 B）周围空气对流速度（黑线表示气流速度流线）。(C 和 D）水流速度分布（黑线表示水流速度流线）。(E 和 F）水凝胶的内部温度。(G 和 H）水凝胶表面温度。(I 和 J）周围空气的绝对湿度。

图7：淡水和电力联合发电装置（FECGD）的室外实验。(A) FECGD 的组件结构图。(B) FECGD-1 运行时的光学照片。(C 和 D) FECGD-1 的组件。(E 和 F) FECGD-2 的组成。(G-I) 12:00 至 14:00 期间 FECGD-1 的光通量、蒸发率和输出电压。(J) 海水（来自黄海）和纯净水中主要离子的浓度。(K) FECGD-1 和 FECGD-2 的串联示意图以及灯泡和定时器的供电情况。

https://doi.org/10.1002/sus2.231

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