瞿金平院士华科大团队牛冉、新加坡国大闵嘉康、华科大龚江AEM：生物启发的MnO2基全天候蒸发器的制备及其用于协同生产清洁水和发电

2023-10-18 来源：高分子科技

水资源匮乏和能源短缺是挑战人类社会生存底线的严重威胁。将太阳能界面光热水蒸发与热电 (TE) 技术集成是解决上述问题的最佳方案之一 (Nat. Energy 3 (2018) 1031-1041; Energy Environ. Sci. 15 (2022) 3388-3399)。到目前为止，人们在制备先进的光热材料或设计新型蒸发装置等研究方面取得了重大进展。然而传统蒸发器受昼夜循环的影响，只能间歇性运行，当光照强度较低时（例如阴天)，因受热不充分，其蒸发性能会显著降低（甚至降低~60%）。另外，即便在强烈的阳光照射下，高温蒸发器的充足热量也会不可避免地泄漏到环境中，导致太阳能利用效率低下。因此，开发具有热量管理功能的蒸发器是弥补其因受昼夜循环和太阳辐射不确定性而导致蒸发性能问题低下的有效途径。

近年来，瞿金平院士华科大团队牛冉研究员及其合作者致力于太阳能界面水蒸发及其与热电集成的研究，开发了多种类型的复合蒸发器 (Chemical Engineering Journal 458 (2023) 141511; Chemical Engineering Journal 454 (2023) 140383; Chemical Engineering Journal 451 (2023) 138534; Energy & Environmental Materials 6 (2023) e12376; Small (2023) 230091; Small 18 (2023) 2200175)。在最近的工作中，受抗冻甲虫生物学的启发，瞿金平院士华科大团队牛冉研究员、新加坡国大闵嘉康博士、华科大龚江研究员合作，通过简便、经济高效的策略制备了一种具有三明治结构的全天候蒸发器(MCMX)，并将其用于水电联产 (图1)。该蒸发器的顶层和底层由MnO₂改性的棉布(MC)组成，用于光热转换和水传输，而中间层由相变微胶囊/水凝胶复合材料(PCL)组成，用于储热和放热 (图2和3)。在1 kW m^-2的太阳光照下，MCMX蒸发器表现出2.67 kg m^-2 h^-1的高蒸发率以及89.5%的蒸发效率。在黑暗中，从相变层释放的热量可以支持蒸发器0.43 kg m^-1h^-1的蒸发速率，是纯水的3.6倍(图4和5)。与热电模块组合后的混合装置在1 kW m^-2太阳光照下可稳定输出0.42 W m^-1的电功率，并在黑暗下延长输出电压30 min (图5和6)。在户外实验中，MCMX蒸发器的产水速率达到0.77 kg m^-2 h^-1，八台设备串联产生的电力可以在白天和晚上为电子计算器、计时器或风扇供电 (图7)。该仿生太阳能蒸发器可以提高太阳能的整体利用率，为实现全天候淡水和电力生产开辟了一条新的途径。

图1受防冻蛋白启发的MnO₂基全天候太阳能蒸发器用于产水和发电的示意图

图2 (a) MCSX蒸发器的示意图; (b和c) MC膜和(d和e) PCL层的SEM图像; (e) 中的红色虚线标记微胶囊之间的间距; (f) 微胶囊的TEM图像; (g) MC和棉布的XPS总谱; (h) MC的特征Mn 2p XPS谱图; (i)MC和棉布在空气中的TGA曲线; (j) 相变微胶囊的DSC曲线; (k) MC和PCL的水接触角; 照片显示MCS1蒸发器的(l) 抗摩擦能力，(m) 不同层之间的强附着力，以及(n) 压缩性能

图3 (a) MC和棉布的UV-vis-NIR吸收曲线; (b)样品在1 kW m^-2光照和关灯模式下的表面温度曲线; (c)在1 kW m^-2光照或关灯模式下MCS1和MCS3的中间和底部温度曲线; (d) MC、(e) MCS1和(f) MCS3温度分布的红外图像; COMSOL模拟(g) MCS1和(h) MCS3蒸发装置在太阳光照(1 kW m^-2)或关灯模式下温度分布

图4 (a) 全天候太阳能界面蒸发和热电发电示意图; (b) 水的质量变化和(c) 各种蒸发器在开灯或关灯模式下的蒸发速率; (d) 蒸发器在1 kW m^-2太阳光照下的蒸发效率和相变微胶囊的利用率; (e) MCS1的蒸发性能与先前报道的太阳能蒸发器做比较; (f) MCS1和MC在不同太阳光照强度下生产淡水的质量变化 (光照60分钟，黑暗30分钟)

图5 (a) MCS1在不同水源中的蒸发速率(太阳能强度 1 kW m^-2); (b) 染料水和冷凝淡水的紫外-可见吸收光谱; (c) 海水和冷凝淡水中主要金属离子的浓度; (d) 绿豆在冷凝水(左)或海水(右)中生长的照片; 在1 kW m^-2的开关灯循环实验中，蒸发器的(e) 表面温度，(f) 产水质量变化以及(g) 产生淡水的实物照片; (h) MCS1在8小时内蒸发性能的长期稳定性; (i) 在连续水蒸发下MCS1表面的盐沉积照片

图6 (a) 用于水电联产的装置示意图; (b) 在1 kW m^-2光照下，装置的循环光响应曲线; 装置在开灯和关灯模式的(c)表面温度、(d) 开路电压和(e) 短路电流曲线; (f) 设备在不同强度太阳光照射下的功率密度; (g) 组装装置的发电性能与文献进行对比; (h) 在不同下表面温度时，混合装置的开路电压; (i) 混合装置在不同水质中的耐用性(太阳能强度 1 kW m^-2)

图7 (a) 户外实验中的界面太阳能驱动的水蒸发装置示意图; (b) MCS1的照片(直径=12 cm); (c和d) MCS1在自制太阳能蒸发装置中的照片; (e-h) 前60分钟蒸发过程中冷凝水生成的照片; (i) 白天太阳光强度和环境温度的变化曲线; (j) 清洁水生成速率和累积生成量曲线; (k) 室外海水淡化中四种主要阳离子的去除能力; 在室外 (l) 太阳光照射或 (m) 阴天模式下的热电装置; 在户外(n) 光照或(o) 阴天模式下，八个混合装置串联驱动风扇旋转、计时器和计算器运行的光学图像

相关工作以Bio-Inspired Sandwich-Structured All-Day-Round Solar Evaporator for Synergistic Clean Water and Electricity Generation发表在Advanced Energy Materials (中科院1区，影响因子27.8)。论文第一作者为华中科技大学化学与化工学院牛冉研究员，论文通讯作者为龚江研究员(华中科技大学化学与化工学院)和闵嘉康博士(新加坡国立大学)。论文作者还包括任佳欣(21级硕士生)、陈玲(22级博士生)和瞿金平院士，以及Justin Koh, Xiaodong Xu和Jalal Azadmanjiri。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发项目以及华中科技大学人才引进启动基金的资助。

文章信息：Ran Niu, Jiaxin Ren, Junqiang Justin Koh, Ling Chen, Jiang Gong*, Jinping Qu, Xiaodong Xu, Jalal Azadmanjiri, Jiakang Min*. Bio-inspired sandwich-structured all-day-round solar evaporator for synergistic clean water and electricity generation. Advanced Energy Materials (2023) doi: 10.1002/aenm.202302451

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202302451

瞿金平院士华科大团队介绍

华中科技大学瞿金平院士团队自2019年组建至今，主要围绕多相多组分体系传递与反应过程强化、生态难消纳物质绿色化替代与再利用、功能材料绿色高效制造与产业化应用开展相关研究工作。团队与国内外众多高校、研究机构和企业保持密切合作，目前在研纵向和横向项目多项，拥有一批先进的高分子材料合成、加工和测试表征仪器设备，具备完善的研究设施和科研条件。团队常年招收硕士研究生、博士研究生、科研助理、机械工程师和博士后 (联系邮箱 niuran@hust.edu.cn)。

牛冉博士，华中科技大学化学与化工学院研究员、博士生导师，主要研究领域为微纳马达和新能源材料。目前以第一或通讯作者身份在PRL、PNAS、Sci. Adv.、ACS Nano、Adv. Energy Mater.、Small、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、Energy Environ. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces等具有重要影响力的国际刊物上发表SCI论文60余篇，主持承担国家自然科学基金、重点研发计划项目等国家和省部级科技项目多项，并获得湖北省海外高层次人才计划、武汉英才等多项荣誉奖励。

闵嘉康博士，中共党员，现任联合微电子中心有限责任公司-硅基光电子中心-芯片设计与纳米压印工程师。2013年本科毕业于湖北大学材料科学与工程学院，2019年1月博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，2019年7月-2023年7月，曾任新加坡国立大学博士后研究员。研究方向为（1）纳米压印技术研究及其与硅光工艺的集成；（2）高折射率光刻胶合成及其在微纳加工技术中的应用；（3）废旧塑料可控降解-碳化制备碳材料及其在超级电容器、锂离子电池、太阳能界面蒸发器等新能源领域的应用。迄今为止在Adv. Energy Mater.等期刊发表SCI论文25篇，其中第一作者/通讯作者12篇，影响因子大于20的2篇, 被引用超900次，H因子为15。

龚江博士，华中科技大学化学与化工学院研究员、博士生导师。2010年本科毕业于四川大学高分子科学与工程学院，2015年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，2015~2018年先后在德国马克斯-普朗克胶体界面研究所和美国得克萨斯州大学圣安东尼奥分校做博士后研究，2018年10月加入华中科技大学。研究方向为(1)废旧塑料可控降解-碳化制备单体、碳材料、氮化碳或者MOF材料；(2) 太阳能界面光热转换技术及其与热电转换、光催化降解、水伏发电和海水提铀等技术的集成应用；两项技术实现中试生产。迄今为止在Prog. Polym. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表SCI论文138篇，其中第一作者/通讯作者73篇，被引用超过5400次，6篇论文被选为HOT Paper，11篇论文被选为ESI高被引论文，获得11项授权的中国发明专利。担任Rare Metals (中科院1区，影响因子8.8)、eScience、Nano Research Energy、Tungsten、Exploration、Energy Materials 和 Green Carbon 等七个期刊的青年编委。此外，入选斯坦福大学2023年度全球前2%顶尖科学家榜单，获得湖北省海外高层次人才计划、国际纯粹和应用化学联合协会(IUPAC)颁发的新材料青年奖、华中学者、重庆垫江青年五四奖章等荣誉奖励。主持国家自然科学基金(青年和面上)和企业合作项目等13项。

课题组链接：http://www.polymer.cn/ss/gongjiang_hust/index.html

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（责任编辑：xu）

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