上海交大邓涛/陶鹏团队《Nano Energy》：可同时进行高通量太阳能光热净水和发电的聚合物海绵蒸发器
利用太阳能光热蒸发海水具有联产淡水和电能的潜力。在太阳能光热蒸发过程中，不仅海水可以经蒸发、冷凝转化为淡水，而且可以驱动海水中盐离子的定向流动，产生电流。然而，当前报道的双功能蒸发器多为组装的二维（2D）结构，通常存在蒸汽生成率低（一个太阳光照强度下 < 2 kg m-2 h-1）、制备工艺复杂、系统性能稳定性差等问题。低蒸发速率不仅阻碍了淡水产率的提升，而且限制了盐离子的流动，使产生的流动电势难以利用。
近日，上海交通大学材料科学与工程学院邓涛教授、陶鹏副研究员团队在《Nano Energy》期刊上发表了题为“All-in-one polymer sponge composite 3D evaporators for simultaneous high-flux solar-thermal desalination and electricity generation”的文章（DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106882）。该团队将聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）和碳纳米管与聚乙烯醇（PVA）海绵复合，设计制备了一种可同时进行高通量海水淡化和发电的一体式3D双功能太阳能光热蒸发器。这种海绵复合材料同时具有高太阳能吸收率、分级多孔结构和强抗盐析出能力。海绵复合材料3D结构设计扩大了蒸发面积，PVA海绵与水分子的相互作用大幅降低了蒸发焓，在一个太阳光强照射下，实现了6.8 kg m-2 h-1的高蒸发速率和94.9%能量转换效率。同时，PEDOT:PSS的掺入使PVA海绵内部形成了许多带负电的离子通道。在太阳能光热驱动海水蒸发过程中，Cl离子选择性地通过离子通道，产生稳定的流动电压，单个复合海绵在一个太阳光照下可以产生117.8 mV的稳定流动电势。通过串联多个海绵蒸发器，该集成系统可以在持续太阳光照下从海水中稳定地产生可直接饮用的淡水，以满足个人饮水需求，并产生足够的电能为小型电子设备供电。该项目开发的一体式3D复合海绵蒸发器具有稳定的优越性能、一体化的结构设计，采用简便的制造工艺，这些将有望促进其在可再生饮用水和电能联产等领域中的应用。该研究得到国家重点研发计划（2017YFB0406100）、国家自然科学基金(51873105)等项目资助支持。
图1. 一体式3D聚合物海绵蒸发器，可同时进行高通量太阳能光热海水淡化和发电。在太阳光照射下，CNT-PP-PVA复合海绵可以进行光热转换，驱动海水蒸发，再冷凝为可饮用的淡水。同时，太阳能光热蒸发驱动盐离子在海绵内部离子通道中的定向流动产生流动电流。
图2.复合海绵的制备和表征：（a）一体式复合海绵的制备流程示意图；（b，c）低倍率和高倍率下PVA海绵的SEM图；（d，e）PP-PVA海绵在低倍率和高倍率下的SEM图；（f，g）CNT-PP-PVA海绵在低倍率和高倍率下的SEM图。
图3. 海绵复合材料的吸光性能和吸水性能表征：PVA、PP-PVA和CNT-PP-PVA海绵分别处于（a）干燥和（b）湿润状态下的吸收光谱；（c，d）将无尘纸放在海绵顶部监测CNT-PP-PVA海绵毛细吸水过程，用红色染料使对吸水现象的观察更为明显。
图4. CNT-PP-PVA海绵的太阳能蒸发性能：（a）太阳能驱动光热蒸发和发电实验装置示意图；（b）不同太阳光强下，纯水蒸发质量的变化；（c）纯水蒸发性能与现有文献报道对比；（d）不同光强下CNT-PP-PVA蒸发温度变化；（e）一个太阳光照前后CNT-PP-PVA海绵的红外照片；（f）2D和3D太阳能光热蒸发结构对比示意图；（g）一个太阳光强下海水蒸发质量变化；（h）一个太阳光照下，海水蒸发性能与现有文献报道对比；（i）3.5 wt%盐水蒸发速率的变化，红线为平均蒸发速率，内置图片显示蒸发表面没有结晶盐析出。
图5. 太阳能光热驱动盐水蒸发产生电能：在一个太阳光强下，蒸发去离子水和3.5 wt% NaCl溶液CNT-PP-PVA海绵的输出电压（a）和电流（b）；（c）CNT-PP-PVA海绵的发电原理示意图；（d）不同电极间距的海绵蒸发器输出电压；（e）串联不同数量CNT-PP-PVA海绵的输出电压。
图6. CNT-PP-PVA海绵同时进行海水淡化和发电：（a）海水淡化和发电联产装置示意图；（b）海水淡化前后离子浓度对比；（c）由三个串联CNT-PP-PVA海绵蒸发器充电2200 μF电容器两端的电压变化；（d）由六个串联电容器供电LED的发光示意图。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521011319
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