瞿金平院士华中大团队 CEJ：Hofmeister效应介导的水凝胶蒸发器 - 用于同时进行光热水蒸发和热电发电

2023-02-13 来源：高分子科技

人口的迅速增长以及环境污染加剧了全球水和能源的短缺。利用光热材料实现太阳能驱动的界面光热水蒸发（ISDE）与热电（TE）相结合是解决上述问题的最佳方案之一。实现高效水-电联产的核心在于光热材料和蒸发装置的设计。近年来，具有三维网络结构和亲水性能的多孔水凝胶材料因为其降低水蒸发焓的优点成为构建先进太阳能蒸发器的后起之秀。为了达到高蒸发速率，如何调控水凝胶的分子结构和微孔结构从而调控水分子状态，促进水传输和蒸汽逃逸成为水凝胶蒸发器设计的关键。目前，大部分水凝胶蒸发器的设计只关注其中一个问题。比如，为了调节水分子状态，科学家们尝试在水凝胶中引入第二组分以调节其网格尺寸和亲水性。气体发泡，共溶剂光聚合和自组装模板法等策略已被应用水凝胶的微孔设计中，以实现快速供水和蒸汽逸出。然而，这些策略受到使用其他表面活性剂、有机溶剂、有毒化学品和/或聚合物模板的影响。因此，迫切需要一种简单、通用和可扩展的策略来同时调控水凝胶蒸发器的分子和微孔结构。

近日，华中科技大学瞿金平院士/牛冉研究员团队以聚乙烯醇（PVA）作为示例，通过冷冻浸泡方法制造出分子和微孔结构可调的多孔水凝胶（PC-x），用于ISDE。受阳离子和阴离子种类和浓度的调控。所获得的水凝胶表现出可调的机械性能、结晶度、水传输速率和水状态。在ISDE过程中，水蒸发速率同样受到离子种类和浓度的影响，蒸发率最高可达到3.52 kg m^-2 h^-1，效率高达97.2%。此外，与热电模块组装在一起，混合装置在 1 kW m^-2照射下产生 160 mV 的开路电压和 0.65 W m^-2 的功率密度。冷冻浸泡法的通用性在其他水凝胶体系中得到进一步证明，例如明胶和海藻酸钠。该工作有望同时解决偏远地区饮用水和电缺乏的问题。相关工作以Hofmeister Effect Mediated Hydrogel Evaporator for Simultaneous Solar Evaporation and Thermoelectric Power Generation为题发表在Chemical Engineering Journal（中科院1区，影响因子16.744）

图1（a）通过冷冻浸泡法制造用于太阳能驱动蒸汽和热电联产的PC-x水凝胶的示意图。（b）PC-SO₄²^-水凝胶和（c）气凝胶的光学图像。不同放大倍率下（d₁-d₃）PC- SO₄²^-, (e₁-e₃) PC- CO₃²^- 和（f₁-f₃）PC-Ac^-的SEM图像。

图2（a）在1 M钠盐中形成的PC-x水凝胶的储存模量和损耗模量。（b）PC-水凝胶柔韧性展示。（c）在1 M钠盐中形成的PC-x水凝胶在拉伸下的典型应力-应变曲线。（d）由阴离子调节的PC-x水凝胶的拉伸强度和模量。（e） PC-x水凝胶的XRD图谱。湿态下（g）PC- SO₄²^-，（h）PC- CO₃²^-和（i）PC-Ac^-的水接触角。（j）PC- SO₄²^-、对照组和纯PVA的紫外-可见-近红外吸收曲线。（k） PC-、对照组和纯PVA在1个太阳照射下的光热转换。插图显示了 PC- SO₄²^- 在 1 分钟和 19 分钟时的红外热成像图片。（l）COMSOL模拟对照组（左）和 PC- SO₄²^-（右）的温度分布。

图3（a）水质量随时间的变化，（b）1 kW m^-2太阳光照射下PC-x水凝胶的水蒸发速率和效率比较。（c）PC-SO₄²^-在1个太阳下不同水质中的蒸发速率。（d）染料水和收集的淡水的紫外-可见吸收光谱。插图显示了蒸发前后水的照片。（e）海水和冷凝水中典型金属离子的浓度。（f）PC- SO₄²^-在不同强度太阳照射下的水质量变化。插图显示了2个太阳光强辐照下产生的蒸汽照片。（g）PC-在海水中的循环使用性能。插图显示了第 10 个循环水质量损失随时间的变化。（h）在5小时持续1太阳照射下水的质量损失随时间的变化。（i）连续水蒸发下PC- SO₄²^-表面盐析的照片。（j）PC-表面装载的NaCl晶体在黑暗中溶解的照片。

图4（a）PC-x水凝胶中水状态的示意图。（b）PC- SO₄²^-的拉曼光谱，拟合峰表示中间水和自由水。（c）PC-x水凝胶的中间水（IW）与游离水（FW）的比例。（d）DSC测试PC-x水凝胶的融化行为。（e）从DSC测量中获得的中间水（IW）、自由水（FW）和结合水（BW）的比例。（f）在黑暗中PC-x 1 h的质量损失。（g）纯水和PC-x水凝胶的DSC曲线。（h）纯水和PC-x中水的蒸发焓。（i） PC-x蒸发器和纯水性能的比较。

图5（a）同时进行太阳能蒸汽和热电联产的装置方案。（b）混合设备在开灯和关灯模式下的温差和电压（1 Sun）。（c）混合装置在不同太阳照射强度下的开路电压（V_OC）和（d）表面温差（ΔT）曲线。（e）混合装置在不同下表面温度下产生的开路电压。（f）混合装置在不同太阳强度下的电流-电压图和（g）功率密度。（h）不同混合太阳能热装置在1次太阳照射下的性能比较。（i）1个太阳光照下混合装置在海水和湖水中的长期稳定性。

图6（a）自制室外太阳能蒸发装置的示意图及（b）照片。（c-f）户外实验前40分钟蒸发过程演变的照片。（g）太阳辐照强度和环境温度的时间演变。（h）清洁水生成率和累积生成量的记录。（i）连续4天户外实验的日产水量。（j）户外实验4天后累积的淡水。（k）小型电子设备供电的热电生产装置方案。（l）工作中的计算器、（m）电风扇和（n）计时器的照片。

该工作以Hofmeister Effect Mediated Hydrogel Evaporator for Simultaneous Solar Evaporation and Thermoelectric Power Generation为题发表于Chemical Engineering Journal (影响因子16.744)。论文第一作者为华中科技大学化学与化工学院2021级硕士研究生任佳欣，论文通讯作者为牛冉研究员，论文作者还包括瞿金平院士和博士研究生陈玲。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。

原文链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723002425

团队简介：

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，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、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论文近60篇，获授权专利5项，申请专利7项。主持承担国家自然科学基金、重点研发计划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。担任Rare Metals期刊 (中科院1区，影响因子6.3)期刊青年编委。

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（责任编辑：xu）

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