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瞿金平院士華科大團隊牛冉、新加坡國大閔嘉康、華科大龔江AEM：生物啟發的MnO2基全天候蒸發器的制備及其用于協同生產清潔水和發電

2023-10-18 來源：高分子科技

水資源匱乏和能源短缺是挑戰人類社會生存底線的嚴重威脅。將太陽能界面光熱水蒸發與熱電 (TE) 技術集成是解決上述問題的最佳方案之一 (Nat. Energy 3 (2018) 1031-1041; Energy Environ. Sci. 15 (2022) 3388-3399)。到目前為止，人們在制備先進的光熱材料或設計新型蒸發裝置等研究方面取得了重大進展。然而傳統蒸發器受晝夜循環的影響，只能間歇性運行，當光照強度較低時（例如陰天)，因受熱不充分，其蒸發性能會顯著降低（甚至降低~60%）。另外，即便在強烈的陽光照射下，高溫蒸發器的充足熱量也會不可避免地泄漏到環境中，導致太陽能利用效率低下。因此，開發具有熱量管理功能的蒸發器是彌補其因受晝夜循環和太陽輻射不確定性而導致蒸發性能問題低下的有效途徑。

近年來，瞿金平院士華科大團隊牛冉研究員及其合作者致力于太陽能界面水蒸發及其與熱電集成的研究，開發了多種類型的復合蒸發器 (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，受抗凍甲蟲生物學的啟發，瞿金平院士華科大團隊牛冉研究員、新加坡國大閔嘉康博士、華科大龔江研究員合作，通過簡便、經濟高效的策略制備了一種具有三明治結構的全天候蒸發器(MCMX)，并將其用于水電聯產 (圖1)。該蒸發器的頂層和底層由MnO₂改性的棉布(MC)組成，用于光熱轉換和水傳輸，而中間層由相變微膠囊/水凝膠復合材料(PCL)組成，用于儲熱和放熱 (圖2和3)。在1 kW m^-2的太陽光照下，MCMX蒸發器表現出2.67 kg m^-2 h^-1的高蒸發率以及89.5%的蒸發效率。在黑暗中，從相變層釋放的熱量可以支持蒸發器0.43 kg m^-1h^-1的蒸發速率，是純水的3.6倍(圖4和5)。與熱電模塊組合后的混合裝置在1 kW m^-2太陽光照下可穩定輸出0.42 W m^-1的電功率，并在黑暗下延長輸出電壓30 min (圖5和6)。在戶外實驗中，MCMX蒸發器的產水速率達到0.77 kg m^-2 h^-1，八臺設備串聯產生的電力可以在白天和晚上為電子計算器、計時器或風扇供電 (圖7)。該仿生太陽能蒸發器可以提高太陽能的整體利用率，為實現全天候淡水和電力生產開辟了一條新的途徑。

圖1受防凍蛋白啟發的MnO₂基全天候太陽能蒸發器用于產水和發電的示意圖

圖2 (a) MCSX蒸發器的示意圖; (b和c) MC膜和(d和e) PCL層的SEM圖像; (e) 中的紅色虛線標記微膠囊之間的間距; (f) 微膠囊的TEM圖像; (g) MC和棉布的XPS總譜; (h) MC的特征Mn 2p XPS譜圖; (i)MC和棉布在空氣中的TGA曲線; (j) 相變微膠囊的DSC曲線; (k) MC和PCL的水接觸角; 照片顯示MCS1蒸發器的(l) 抗摩擦能力，(m) 不同層之間的強附著力，以及(n) 壓縮性能

圖3 (a) MC和棉布的UV-vis-NIR吸收曲線; (b)樣品在1 kW m^-2光照和關燈模式下的表面溫度曲線; (c)在1 kW m^-2光照或關燈模式下MCS1和MCS3的中間和底部溫度曲線; (d) MC、(e) MCS1和(f) MCS3溫度分布的紅外圖像; COMSOL模擬(g) MCS1和(h) MCS3蒸發裝置在太陽光照(1 kW m^-2)或關燈模式下溫度分布

圖4 (a) 全天候太陽能界面蒸發和熱電發電示意圖; (b) 水的質量變化和(c) 各種蒸發器在開燈或關燈模式下的蒸發速率; (d) 蒸發器在1 kW m^-2太陽光照下的蒸發效率和相變微膠囊的利用率; (e) MCS1的蒸發性能與先前報道的太陽能蒸發器做比較; (f) MCS1和MC在不同太陽光照強度下生產淡水的質量變化 (光照60分鐘，黑暗30分鐘)

圖5 (a) MCS1在不同水源中的蒸發速率(太陽能強度 1 kW m^-2); (b) 染料水和冷凝淡水的紫外-可見吸收光譜; (c) 海水和冷凝淡水中主要金屬離子的濃度; (d) 綠豆在冷凝水(左)或海水(右)中生長的照片; 在1 kW m^-2的開關燈循環實驗中，蒸發器的(e) 表面溫度，(f) 產水質量變化以及(g) 產生淡水的實物照片; (h) MCS1在8小時內蒸發性能的長期穩定性; (i) 在連續水蒸發下MCS1表面的鹽沉積照片

圖6 (a) 用于水電聯產的裝置示意圖; (b) 在1 kW m^-2光照下，裝置的循環光響應曲線; 裝置在開燈和關燈模式的(c)表面溫度、(d) 開路電壓和(e) 短路電流曲線; (f) 設備在不同強度太陽光照射下的功率密度; (g) 組裝裝置的發電性能與文獻進行對比; (h) 在不同下表面溫度時，混合裝置的開路電壓; (i) 混合裝置在不同水質中的耐用性(太陽能強度 1 kW m^-2)

圖7 (a) 戶外實驗中的界面太陽能驅動的水蒸發裝置示意圖; (b) MCS1的照片(直徑=12 cm); (c和d) MCS1在自制太陽能蒸發裝置中的照片; (e-h) 前60分鐘蒸發過程中冷凝水生成的照片; (i) 白天太陽光強度和環境溫度的變化曲線; (j) 清潔水生成速率和累積生成量曲線; (k) 室外海水淡化中四種主要陽離子的去除能力; 在室外 (l) 太陽光照射或 (m) 陰天模式下的熱電裝置; 在戶外(n) 光照或(o) 陰天模式下，八個混合裝置串聯驅動風扇旋轉、計時器和計算器運行的光學圖像

相關工作以Bio-Inspired Sandwich-Structured All-Day-Round Solar Evaporator for Synergistic Clean Water and Electricity Generation發表在Advanced Energy Materials (中科院1區，影響因子27.8)。論文第一作者為華中科技大學化學與化工學院牛冉研究員，論文通訊作者為龔江研究員(華中科技大學化學與化工學院)和閔嘉康博士(新加坡國立大學)。論文作者還包括任佳欣(21級碩士生)、陳玲(22級博士生)和瞿金平院士，以及Justin Koh, Xiaodong Xu和Jalal Azadmanjiri。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發項目以及華中科技大學人才引進啟動基金的資助。

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

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202302451

瞿金平院士華科大團隊介紹

華中科技大學瞿金平院士團隊自2019年組建至今，主要圍繞多相多組分體系傳遞與反應過程強化、生態難消納物質綠色化替代與再利用、功能材料綠色高效制造與產業化應用開展相關研究工作。團隊與國內外眾多高校、研究機構和企業保持密切合作，目前在研縱向和橫向項目多項，擁有一批先進的高分子材料合成、加工和測試表征儀器設備，具備完善的研究設施和科研條件。團隊常年招收碩士研究生、博士研究生、科研助理、機械工程師和博士后 (聯系郵箱 niuran@hust.edu.cn)。

牛冉博士，華中科技大學化學與化工學院研究員、博士生導師，主要研究領域為微納馬達和新能源材料。目前以第一或通訊作者身份在PRL、PNAS、Sci. Adv.、ACS Nano、Adv. Energy Mater.、Small、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、Energy Environ. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces等具有重要影響力的國際刊物上發表SCI論文60余篇，主持承擔國家自然科學基金、重點研發計劃項目等國家和省部級科技項目多項，并獲得湖北省海外高層次人才計劃、武漢英才等多項榮譽獎勵。

閔嘉康博士，中共黨員，現任聯合微電子中心有限責任公司-硅基光電子中心-芯片設計與納米壓印工程師。2013年本科畢業于湖北大學材料科學與工程學院，2019年1月博士畢業于中國科學院長春應用化學研究所，2019年7月-2023年7月，曾任新加坡國立大學博士后研究員。研究方向為（1）納米壓印技術研究及其與硅光工藝的集成；（2）高折射率光刻膠合成及其在微納加工技術中的應用；（3）廢舊塑料可控降解-碳化制備碳材料及其在超級電容器、鋰離子電池、太陽能界面蒸發器等新能源領域的應用。迄今為止在Adv. Energy Mater.等期刊發表SCI論文25篇，其中第一作者/通訊作者12篇，影響因子大于20的2篇, 被引用超900次，H因子為15。

龔江博士，華中科技大學化學與化工學院研究員、博士生導師。2010年本科畢業于四川大學高分子科學與工程學院，2015年博士畢業于中國科學院長春應用化學研究所，2015~2018年先后在德國馬克斯-普朗克膠體界面研究所和美國得克薩斯州大學圣安東尼奧分校做博士后研究，2018年10月加入華中科技大學。研究方向為(1)廢舊塑料可控降解-碳化制備單體、碳材料、氮化碳或者MOF材料；(2) 太陽能界面光熱轉換技術及其與熱電轉換、光催化降解、水伏發電和海水提鈾等技術的集成應用；兩項技術實現中試生產。迄今為止在Prog. Polym. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊發表SCI論文138篇，其中第一作者/通訊作者73篇，被引用超過5400次，6篇論文被選為HOT Paper，11篇論文被選為ESI高被引論文，獲得11項授權的中國發明專利。擔任Rare Metals (中科院1區，影響因子8.8)、eScience、Nano Research Energy、Tungsten、Exploration、Energy Materials 和 Green Carbon 等七個期刊的青年編委。此外，入選斯坦福大學2023年度全球前2%頂尖科學家榜單，獲得湖北省海外高層次人才計劃、國際純粹和應用化學聯合協會(IUPAC)頒發的新材料青年獎、華中學者、重慶墊江青年五四獎章等榮譽獎勵。主持國家自然科學基金(青年和面上)和企業合作項目等13項。

課題組鏈接：http://m.jrdgc.com/ss/gongjiang_hust/index.html

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（責任編輯：xu）

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