水资源短缺和能源危机是威胁人类社会发展的两个关键问题。将利用太阳能的界面光热水蒸发与热电（TE）模块相结合是解决上述问题的最佳方案之一。到目前为止，人们在制备先进的光热材料和设计新型蒸发装置上做出了巨大的努力。然而，之前开发的方法或者依赖有毒化学制剂，或者需要昂贵的高能耗设备，无法实现光热材料的连续制造，这极大地限制了其大规模化生产和实际应用。此外，传统方法制造出的蒸发器无法生物降解，可能会在海洋中生成白色污染物和微塑料，这对环境并不友好。因此，如何实现具有生物可降解能力的太阳能蒸发器的低成本、规模化制备至关重要。
近日，华中科技大学瞿金平院士/牛冉研究员团队提出了一种熔融共混和表面涂覆相结合的方式构建三维可生物降解泡沫，用于有效的太阳能驱动水蒸发和热电联产（图1）。将高含量蔗糖（80%）与聚羟基脂肪酸酯（PHA）在拉伸流场主导的挤出机中共混，之后将蔗糖颗粒提取，得到多孔PHA泡沫，并通过在表面涂覆大量粒状黑色/亲水纳米颗粒（BHNPs）制成的光热涂层。获得的三维蒸发器具有多孔结构和超亲水性，可确保蒸发过程中充足的供水（图2），PHA-6泡沫在1 kW m-2太阳照射下表面温度最高可达到70.1℃（图3），此外，增加三维蒸发器的高度也可以提高光热转换能力和蒸发效率，其中在1 kW m-2太阳照射下的蒸汽产率高达4.33 kg m-2h-1（图4），同时具有多场景、长时间应用的能力（图5）。与热电模块组装成的产电装置产电功率在1 kW m-2太阳照射下达到0.8W m-2（图6）。在户外实验中，连续12 h的累计产水量达到4.24 kg m-2；几个热电装置串联可以为电风扇、计算器和计时器等小型设备供电（图7）。使用后，PHA-x泡沫在2%的碱性溶液中可以快速降解（图8）。该工作有望解决偏远地区饮用水和电缺乏的问题。
图1 PHA-x 泡沫制备示意图
图2 (a和b）PHA-0和PHA-6泡沫的光学图像（第一列）和扫描电镜图像（第二至第四列）。(c) PHA-6泡沫站在树叶上和受到 200 g砝码拉伸的照片。(d) PHA-6在三个压缩-释放循环中的应力-应变曲线。插图：不同应变下的样品照片。(e) 将 PHA-6和PHA-0的底部浸入水中时，泵水高度与时间的关系。插图为样品照片。(f) PHA-6和PHA-0 泡沫的水接触角
图3 (a) PHA-6和PHA-0在太阳光谱范围内的光吸收率。(b) PHA-6和PHA-0 在太阳光照射下的表面温度曲线和 (c) 相应的红外图像
图4 (a) 太阳能驱动蒸发装置方案。(b) PHA-x蒸发器在1 kW m-2 光照下水的质量损失。(c) PHA-x在1 kW m-2光照下的蒸发速率和相应的太阳能蒸发效率。(d) PHA-x在黑暗中的水质量损失和相应的蒸发晗。(e) 不同高度的 PHA-6 蒸发器在 1 kW m-2光照下水的质量变损失。插图为不同高度PHA-6蒸发器的照片。(f)不同高度的PHA-6蒸发器在1 kW m-2光照下的表面温度曲线。(g) 阳光照射下高度为 1、2和3厘米的PHA-6蒸发器的红外图像。(h) COMSOL仿真显示不同高度（1、2和3厘米）PHA-6的温度分布
图5高度为3厘米的PHA-6在 (a) 各种水源和 (b) 一系列模拟盐水中的蒸发率。(c) 海水和蒸发后冷凝水中金属离子浓度的比较。(d) MB和RhB溶液以及蒸发后冷凝水的紫外-可见吸收曲线。插图为相应水的照片。高度为3厘米的 PHA-6蒸发器在 (e) 10次光照开关周期和 (f) 连续照射5 h的水质量变化。插图：PHA-6蒸发器上方形成的水蒸气照片。(g) PHA-6蒸发器（高度为3厘米）在不同太阳强度下的水重量损失。(h) 显示PHA-6表面在黑暗中盐溶解过程的照片。(i) 海水蒸发11小时前后PHA-6的照片
图6 (a) 有（底部）和没有（顶部）PHA-6泡沫的TE设备照片。(b) PHA-6在不同太阳照射强度下的开路电压和表面温差。(d) PHA-6在1个太阳照射下的电压和温度变化。(e) 电流与电压关系图和 (f) 不同太阳辐照强度下的最大功率密度。(g) 在1 kW m-2光照下，混合装置在各种水源中的开路电压。(h) 在不同的下表面温度下产生的开路电压。(i) PHA-6和其他报道的太阳能蒸发器在1kW m-2光照下的蒸发和发电性能图。
图7 (a) 室外环境中用于太阳能蒸发的装置方案。(b) 自制装置的照片。(c) 显示在冷凝器上积聚水滴的照片。(d) 温度和太阳光照强度的变化; (e) 出水量和海水淡化量的变化。(f) 连续三天的产水量。(g) 室外环境中用于热电发电的方案和装置。(h) 开路电压与时间的关系。注意:风使电压波动。(i) 显示由八个串联热电模块供电的小风扇或LED显示屏的照片
图8 (a) PHA-6在不同浓度NaOH溶液中的重量损失率与时间的关系。PHA-6 泡沫在 2% NaOH 溶液中(b)降解前和降解后 (c) 第1天、(d) 第5天和 (e) 第9天的SEM图像。插图为样品的相应照片
该工作以Mass production of biodegradable porous foam for simultaneous solar evaporation and thermoelectricity generation发表在Journal of Materials Chemistry A（影响因子11.9）。论文第一作者为湖北大学材料科学与工程学院2021级联培硕士刘志鹏，论文通讯作者为华中科技大学化学与化工学院牛冉研究员和龚江研究员，论文作者还包括瞿金平院士和博士研究生李小龙。该研究得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、华南理工大学广东省高分子先进制造技术与装备重点实验室开放项目以及新能源化学与器件创新人才引智基地的资助。
原文链接: https://doi.org/10.1039/D3TA06133G
通讯作者简介
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60余篇，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、重点研发计划青年科学家项目、重点研发计划子课题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), Exploration和Energy Materials期刊青年编委。
