Nat Commun | 文献前沿 | 辐射制冷辅助的自我维持和高效的湿气能量收集

【研究背景】

从无处不在的水蒸气中收集电力是缓解能源危机的一条有前景的途径。然而，现有的研究很少全面考虑自然环境波动对电输出的影响。该文展示了一种双层聚合物，通过与周围环境的热交换建立稳定的内部定向水/离子流，实现了水文循环中自我维持和高效的水分发电。具体来说，疏水顶层的辐射冷却效应可以防止白天过度蒸发，同时加速夜间吸湿。将LiCl引入底部吸湿性离子水凝胶中可提高吸湿能力并促进离子传输，从而确保高效的能量转换。单个设备单元（1 cm2）可连续产生约0.88 V的电压和约306μA的电流，在25°C和70%相对湿度（RH）下提供约51μW cm−2的最大功率密度。该设备已被证明可以在室外连续6天稳定运行。

目前，该文以“Radiative cooling assisted self-sustaining and highly efficient moisture energy harvesting”为题在《Nature Communications》（JCR: Q1, Top, IF2023=14.7）上发表。文章通讯作者为上海交通大学李廷贤研究员和东南大学赵东亮教授。

【文章解读】

图1. a PP/IH的结构的示意图。b PP/IH在日循环中的运行模式。c构成离子水凝胶的相应材料组成和相互作用。d在室外环境中连续6天记录PP/IH的开路电压。

图2. a 分层多孔P（VdF-HFP）膜的横截面扫描电子显微镜图像。b P（VdF-HFP）膜的孔径分布。c 2mm厚多孔P（VdF-HFP）薄膜的太阳反射率（左）和中红外发射率（右）光谱。作为参考，还绘制了归一化太阳辐照度光谱（橙色区域）和大气透射率（蓝色区域）。d不同成分水凝胶的电输出比较。误差条表示标准偏差（n=4）。e PVA-PA和PVA-PA-LiCl水凝胶的FTIR光谱。f含和不含LiCl的水凝胶的XRD图。

图3.a 在25°C的温度下，稳定的Voc和Isc随RH变化。所有样品在测试前都进行了干燥和短路处理。误差条表示标准偏差（n=4）。b 在75%相对湿度下响应温度的电输出。误差条表示标准偏差（n=4）。c 真空减压交替环境（23°c，40%RH）中Isc变化曲线。d Isc随相对湿度的逐步增加而演变。PP/IH装置在测试前已干燥。e 在25°C和70%相对湿度的环境条件下，PP/IH的电输出具有0.1Ω至500 MΩ的不同外部电阻。插图显示了等效测试电路的示意图。f PP/IH和报告的湿气发生器的输出性能比较。实心点表示连续的功率输出，而空心点表示间歇的输出。

图4. a 用于可视化离子迁移动态变化的实验照片。烧杯中的溴酚蓝/异丙醇溶液（0.1%w/v）的颜色从蓝色变为黄色，对应于pH值从4.6变为3.0。b通过KPFM测试获得的离子水凝胶的一侧在20分钟和40分钟后的电位变化，而另一侧是湿润的。c吸湿侧和疏水侧均密封，d 仅吸湿侧密封，e 仅疏水侧密封（25°c，50%RH）的设备电流输出。插图显示了经过不同处理的相应设备。f、 g，h说明PP/IH中水分发电过程机理的示意图。f进入的水分导致水凝胶中官能团的电离，从而释放离子。g 水偶联离子迁移到疏水侧，留下带负电荷的水凝胶网络。h 由定向水流驱动的选择性离子运输。

图5. a PP/IH、BB/IH和IH装置对模拟单太阳（1 kW m−2）照明的开/关切换的电输出和温度。该测试在约20°C的温度和约20%的相对湿度下进行。b 用于测量电气性能和温度的装置示意图。凹形设计有助于减轻风速对实验结果的影响，同时采用绝缘泡沫和铝箔来最大限度地减少环境和样品之间的热传导。c 室外电气性能试验于2023年11月17日18:00至2023年11日23日22:00在中国南京进行。PP/IH、BB/IH和IH器件的Voc和Isc曲线分别显示在第一和第二面板中。在整个测试期间，同时记录了设备温度、环境温度、太阳辐射强度和环境相对湿度的数据。d 分别具有不同序列号和并行号的PP/IH单元（1 cm2）的Voc和Isc。插图显示了串行和并行电路。e 演示使用3×3串并联的PP/IH单元（1 cm2）作为电源驱动着色的电致变色玻璃（2×2 cm）。f 2.9英寸电子墨水屏幕由PP/IH单元（1 cm2）直接驱动，3×6串并联连接。

【文章总结】

该文提出一种由疏水性多孔聚偏二氟乙烯-共六氟丙烯[P（VdF-HFP）]层和吸湿性离子水凝胶层（PP/IH）组成的双层聚合物，能在室外环境中高效和自我维持的湿气发电。底部水凝胶层自发地吸收水分并解离离子，而输送的水分通过多孔P（VdF-HFP）顶层呼出。吸附蒸发的动态平衡驱动水/离子连续流过带负电荷的纳米通道，从而产生持续的功率输出。多孔P（VdF-HFP）的辐射冷却效应有助于延长白天的蒸发过程，保持水凝胶内的水流，并在夜间增加局部湿度以加速水分吸收。由聚乙烯醇（PVA）和植酸（PA）建立的离子水凝胶网络，与削弱氢键相互作用的LiCl结合，赋予PP/IH优异的吸湿能力、丰富的离解电荷载体和高效的水/离子传输性能。在室外实验中，所得到的设备可提供超过6天的稳定电输出。单个PP/IH单元（1 cm2）可产生约0.88 V的电压和约306μA的电流，在25°C和70%RH下的最大输出功率密度约为51μW cm−2。这项工作为开发可持续高效的MEG提供了见解。

【文献来源】

Guo, C., Tang, H., Wang, P. et al. Radiative cooling assisted self-sustaining and highly efficient moisture energy harvesting. Nat Commun 15, 6100 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-50396-9

声明：仅代表小编个人观点，如有不严谨之处，请您留言指正或讨论！

欢迎广大科研工作者推荐或投递有关光热界面蒸发领域的资讯、科研成果及前沿。