AFM|复合凝胶中的海水界面蒸发可实现光伏冷却、同时海水淡化和强化铀的提取

研究背景

全球PV发电的总装机能力已超过1200 GW，直到2023年，并继续稳定增长，PV在未来的能源景观中发挥了重要作用。PV面板的输出性能通常取决于温度。 也就是说，已经验证了先进的冷却措施，以提高其产量10％至15％。同时，这些冷却策略可以延长光伏面板的使用寿命。因此，有效的冷却设计对于PV系统的大规模部署至关重要。主动热管理技术通过强制对流过程显示出在冷却光伏面板中的有效性。但是，它们通常需要复杂的外部设备，从而导致额外的成本和功耗。相比之下，已经开发了用于PV冷却的被动热管理技术，例如辐射冷却，吸附冷却和相变材料。值得注意的是，采用界面蒸发技术以降低PV面板的表面温度，同时实现有效的海水脱盐的新型设计，采用海水作为冷却剂出现。这种方法激发了社区中的兴趣，因为它可以与当前的光伏系统集成在一起，通过与其他创新解决方案耦合增强效益。

核能是另一种清洁能源，其合理的发展和利用对于全球能量结构的转变也至关重要。铀是核工业的主要燃料，在海水中分布广泛，有超过40亿吨的铀储量是传统矿床中发现的1000倍。因此，从海水中提取铀可能是保存和重新解放铀资源的最有效方法之一。据报道，具有铀吸附功能的界面蒸发器可以同时实现海水脱盐并增强铀的提取。但是，没有关于这种集成系统的报道，即通过界面蒸发过程以PV冷却和铀提取为特征。 这一差距凸显了一个巨大的挑战，但也提供了一个绝佳的机会，可以通过共同提取的水资源和能源从根本上提高PV系统的能源效率。

相关成果以“Seawater Interfacial Evaporation in Composite Gel Enables Photovoltaic Cooling, Simultaneous Seawater Desalination,and Enhanced Uranium Extraction“为题发表在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》（JCR一区,中科院一区TOP,IF=18.5）上。

研究结论

通过界面蒸发过程实现同时的PV冷却和海水资源（水和铀）的提取。为了实现有效的铀提取，将聚多巴胺（PDA）和聚乙烯胺（PEI）一起使用，通过贻贝灵感和迈克尔加法反应（Mussel Inspiration和Michael Add Recestion）一起修饰粉末的活性炭（PAC），从而获得PDA和PEI共涂的PAC（AIC）。AIC掺杂的SA水凝胶（AIC-SA）紧密连接到PV面板的背面。 当光伏面板在太阳辐射下加热时，AIC-SA中的海水将蒸发并冷却PV面板。 此过程可实现有效的PV面板冷却和海水脱盐。 同时，由于其选择性吸附效果，海水中的铀离子将被捕获在AIC-SA内部。这个过程可从海水中提取铀。具体而言，AICSA可以在1个太阳光强下最多将PV面板的表面温度降低20.8°C，最大输出> 8％。 随着光强度从0.5升高到1.5，AIC-SA的蒸发速率从0.98上升到2.62 kg m-2 h-1，PV面板的输出增长率从4.9增加到13.1％。 AIC-SA可以有效地冷却PV面板，并在各种光强度上脱盐，使其适合多种应用。 此外，AIC-SA在1个太阳光强下的50 mg L-1铀溶液中的高铀吸附比超过90％。 室外实验表明，AIC-SA的最高温度下降为约12°C，最大输出增长率为8％。 此外，在10天内，铀提取能力（EC）达到6 mg g-1，而其他杂质离子的提取则最小。

研究数据

图 1.基于 AIC-SA 的光伏混合系统示意图，集成了光伏冷却、海水淡化和铀萃取。TCL-导热层

图 2.AIC-SA 的设计和表征。a） AIC-SA 的制造进度;b） 商用光伏面板的紫外-可见-红外光谱;c） Langmuir 和 Freundlich 模型中 AIC 拟合曲线的吸附等温线;d） AIC-SA 中水的 DSC 曲线;e） AIC-SA 的 SEM 图像;f） AIC-SA 不同形状的数码照片。

图 3.AIC-SA 的室内光伏制冷性能。a） 光伏降温试验系统示意图;b） 光伏板在 1 个阳光下的红外照片：（I） 没有 AIC-SA，以及 （II） 有 AIC-SA;c） 光伏板在 1 个阳光下的发电量：（I） 无 AIC-SA，以及 （II） 有 AIC-SA;d） 1 个阳光下 AIC-SA 中水的质量变化;e） 不同光照强度下含 AIC-SA 的光伏板的红外照片;f） 不同光强下AIC-SA增强的蒸发速率和PV板的输出增益;g） 不同被动冷却技术的光伏冷却效果比较。AC-空气对流冷却、PCM 相变材料冷却、RC-辐射冷却、FC-浮动冷却、EC-蒸发冷却和 SC-吸附冷却。

图 4.室内铀萃取性能。a） 铀萃取测试系统示意图;b） 不同条件下 AIC-SA 的铀吸附率;c） 增强铀提取的关键因素;d） 不同温度下 AIC-SA 的铀吸附率;e） COMSOL 模拟的 AIC-SA 中的铀分布;f） 不同光照强度下的增强因子;g） 不同 pH 值下 AIC-SA 的铀吸附率和 zeta 电位;h） 其他离子存在下 AIC-SA 的铀吸附率;i） AIC-SA 的循环吸附率

图 5.AIC-SA 的实用性能。a） 基于 AIC-SA 的光伏混合系统在 1 个太阳光下的循环性能;b） 户外设备的照片;c） 光伏板的红外照片;I） 不含 AIC-SA，以及 （II） 含 AIC-SA;d） AIC-SA 增强的光伏板输出增益;e） AIC-SA 的产水率 （WPR） 和铀吸附率;f） AIC-SA 的铀提取能力 （EC）。

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