华中大牛冉研究员/瞿金平院士团队《EEM》：低成本、大规模制备二氧化锰基柔性膜用于光热产水和产电协同

点击上方“蓝字” 一键订阅

淡水短缺是社会发展面临的一个日益严峻的挑战。太阳光驱动蒸发是利用太阳能作为光源，它作为蒸发器将太阳能转化为热量，以产生蒸汽，是从海水和废水中提取洁净水的一种最有前途的技术。为了达到高的水蒸发率和太阳热转换效率，理想的材料应该具有广泛的光吸收、低热导率和有效的水运输。而能量转换通常是以多种形式进行的，如果能将界面产生的余热再次利用可实现更高的能量利用率。

近日，华中科技大学牛冉研究员/瞿金平院士团队成功地制备了一种二氧化锰基柔性膜用于太阳光驱动的产水和产电结合（图1），其中带有氧空位缺陷的纳米二氧化锰实现高效的吸光和光热转化（图2），同时超亲水纤维膜快速的水传输实现连续水蒸发。作为太阳能吸收体，MnO₂基纤维膜在1 kW m^-2太阳照射下的产汽率高达2.24 kg m^-2 h^-1 (图3)，与热电模块组装的产电装置产电功率达到0.6 W m^-2（图4）。在户外实验中，连续24 h的累计产水量达到5.5 kg m^-2，几个热电装置串联可以供一个小风扇旋转或者点亮LED屏幕（图5）。该工作有望解决边远地方饮用水和电缺乏的问题。相关工作以“Simultaneous Solar-driven Steam and Electricity Generation by Cost-effective, Easy-scale up MnO₂-based Flexible Membrane”发表在Energy & Environmental Materials（中科院1区，影响因子15.112）。图1 二氧化锰基太阳能蒸汽发生器（MCx）的制备。MCx是使用原位还原法将KMnO₄在纤维表面还原为MnO₂纳米粒子。该方法操作简单、成本低，可大规模制备蒸发器。
 
图2 二氧化锰基太阳能蒸汽发生器的表征。MnO₂的负载极大提高了纤维膜的吸光性能和光热转化能力。尤其是MnO₂表面的氧空位和缺陷促进光子的辐射和无辐射驰豫，增强其光热转换。
 
图3 二氧化锰基太阳能蒸汽发生器产汽效能。MCx表面的亲水官能团能够有效降低水的蒸发焓，提高水蒸发速率。暗室测试表明水的蒸发焓由2.42 kJ kg^-1降低到1.58 kJ kg^-1。
 
图4 二氧化锰基太阳能蒸汽发生器的热电转化性能。MCx与热电模块组装的杂化装置在一个太阳光下可达到165 mV的电压，且能在不同水质中长时间工作。 MCx太阳能下处理水能力。海水经过该太阳能水蒸发淡化系统，离子浓度(Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺)显著降低了4个数量级, 达到世界卫生饮用水标准。除此之外，MCx具有良好的抗盐析和盐溶解性能，可用于盐水的净化。以甲基橙为代表的污染物净化后收集水的净化效率可达99.9%，再次证明了基于MCx光热发生器在废水处理方面的潜力。图5 户外产水和产电。户外实验中，一天的产水量高达5.5 L，几个热电模块串联可以点亮LED屏幕并使小风扇旋转。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，以及2020级硕士研究生丁洋。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://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12376

作者简介：

向上滑动阅览

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在PRL、PNAS、Sci. Adv.、ACS Nano、Small、Energy Environ. Mater.、Chem. Eng. J.等具有重要影响力的国际刊物上发表SCI论文40余篇，主持承担国家自然科学基金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等多项荣誉奖励。

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多