北京化工大学汪晓东教授团队 AFM：基于相变材料的3D太阳能蒸发器促进高效可持续海水淡化和清洁电力产生

2024-03-07 来源：高分子科技

太阳能驱动的界面蒸发系统可以将太阳能吸收并转化为热量，用于海水淡化和净化，其被认为是目前全球缓解淡水短缺最有前途的方法之一。除了实现水清洁之外，太阳能蒸发系统还与能量流有关。在蒸发过程中，因水的定向流动，诱导了密闭区域内稳定的水合离子的定向迁移，产生平面内电位差。如何同时实现高效海水淡化和蒸发发电是界面蒸发领域重大挑战之一。

图1 3D太阳能蒸发器用于输出电压和水蒸发

近期，北京化工大学汪晓东教授团队报道了一种分级结构的3D太阳能蒸发器（图1），通过将石蜡型相变材料与覆盖有碳黑纳米颗粒修饰的聚（对苯二甲酸乙烯酯）织物集成在经3D打印的碗状3D支撑材料中（图2a），同时实现了蒸发系统的高输出电压和水蒸发速率。相比与传统的2D蒸发器，3D蒸发器利用光在其内部的多重反射（图2b-c），能更有效地吸收和转换太阳能为热能，极大提升了水蒸发能力（图2d）。自然光光照下的测试结果显示，3D蒸发器获得了3.51 V最大输出电压和4.0 kg m^?² h^?¹的高蒸发速率（图4a-c）。相变材料的引入，可实现对耗散热量的管理，极大提升了蒸发器的蒸发性能和输出电压。与不含相变材料的蒸发器相比，3D蒸发器对电容器的充电时间减少了57.9%，淡水收集量增加了29.9%（图4d-f）。通过利用相变材料实现对太阳热能的合理利用，创新性地将相变材料与光热材料集成在3D界面蒸发系统中，为3D界面蒸发器在间歇性太阳光辐射下同时高效发电和水蒸发领域提供了一种新的策略。该工作以“Phase Change Material Boosting Electricity Output and Freshwater Production through Hierarchical-Structured 3D Solar Evaporator”为题发表在《Advanced Functional Materials》。文章的第一作者为北京化工大学材料学院硕士生李文成，通讯作者为刘欢副教授和汪晓东教授。该研究得到了北京市自然科学基金和国家自然科学基金的支持。

图2 3D界面蒸发器内部结构示意图和性能

图3 3D界面蒸发器在自然光光照下输出电压和水蒸发性能

该工作是团队近期关于相变材料在海水淡化和蒸发发电领域的最新研究进展。间歇性太阳光光照所导致的界面蒸发器的蒸发性能急剧下降是困扰本领域的难题之一。为此，团队通过将相变材料与界面蒸发相结合，利用相变材料优异的储能放热能力，实现了对太阳热能的有效储存和可控释放，为本领域的研究提供了一种可靠的研究思路。在过去两年中，团队制备了一系列具有优异光热吸收和储热能力的多层级相变微胶囊（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 50966-50981；J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 25509; Chem. Eng. J., 2023, 458, 141395; Desalination, 2023, 562, 116713），为相变材料在界面蒸发领域的发展做出了大量探索。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202316504

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（责任编辑：xu）

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