水资源匮乏和能源短缺是威胁人类社会生活的严重挑战。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或设计新型蒸发装置方面做出了巨大努力，包括利用溶胶-凝胶、增材制造、气体发泡等方法制造气凝胶、水凝胶和聚合物海绵/泡沫等在内的三维（3D）、自浮式一体蒸发器。然而，高昂的成本，高能源消耗和有限的产品尺寸限制了三维蒸发器的大规模生产。此外，传统发泡技术中有毒化学发泡剂和有机溶剂的使用可能会释放出氢气或二氧化碳，这对环境并不友好。因此，迫切需要通过低成本、绿色和易于规模化的发泡方法来开发3D太阳能蒸发器，但这样的概念验证仍然遥遥无期。
近日，华中科技大学瞿金平院士/牛冉研究员团队首次报告了用水发泡的方法来开发自浮式一体三维蒸发器，用于有效的太阳能驱动水蒸发和热电联产（图1）。其中CaCl2的加入使蒸发器形成了开孔结构，开孔有利于通过多重内部反射和吸收来充分吸收太阳辐射，并有助于水的运输以及水蒸汽的逸出（图2）。其次，CaCl2含量的增加也可以提高光热转换能力（图3）和蒸发效率（图4）。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3.39 kg m-2h-1（图5），与热电模块组装成的产电装置产电功率达到0.63 W m-2（图6）。在户外实验中，连续24 h的累计产水量达到8.9 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）。该工作有望解决偏远地区饮用水和电缺乏的问题。相关工作以“Cost-effective, scalable fabrication of self-floating xerogel foam for simultaneous photothermal water evaporation and thermoelectric power generation”发表在Chemical Engineering Journal （中科院1区，影响因子16.744）
图1 (a) 低成本制造的PXF-x蒸发器。(b) 使用PXF-x蒸发器的界面太阳能蒸发-热电发电系统方案。
图2 (a) 站在桉树叶子上的PXF-90泡沫的照片；插图显示泡沫的俯视图。(b) 显示PXF-90长期自漂浮的数码照片。(c和d) PXF-90泡沫的FESEM图像。(e) PXF-90泡沫吸收的水接触角快照。(f) PXF-90泡沫的水传输。将PXF-90浸泡在粉红色染料水中，并在泡沫顶部放置了一张吸水纸，以观察水的吸水过程。(g) PXF-90在5个周期内的压缩应力-应变曲线。插图显示了样品在0%、50%、0%的应变和500克砝码压缩下的情况。
图3 (a) PXF-90和PVA对AM 1.5 G标准太阳光谱的吸收。(b) PXF-90和PVA在一个太阳光照射下的光热转换行为。(c) PXF-90和PVA在一个太阳光照射下的红外图像。
图4 (a) 同时进行蒸汽和热电发电的装置示意图。插图显示的是电子天平中的装置照片。(b) 纯水和PXF-x蒸发器在一个太阳照射下的质量损失。(c) PXF-x在一个太阳照射下的蒸发速率和的光蒸汽转换效率。(d) 纯水和PXF-x 的DSC 曲线。(e) 水在黑暗中的蒸发以及通过黑暗蒸发和DSC 测量比较PXF-x中水的蒸发焓。(f) PXF-90中的水状态图，显示了水和聚合物之间的结合、弱化的水-水以及正常的水-水相互作用。
图5 (a)不同高度的PXF-90蒸发器在1个太阳光照射下的失水量，以及(b) 灯光开启和关闭状态下的相应热行为。(c) 红外图像显示高度为3或0.5厘米的PXF-90蒸发器在1个太阳照射25分钟后的温度分布。(d) COMSOL模拟高度=3厘米（左）和0.5厘米（右）的PXF-90的温度分布。(e) 太阳照射下2D和3D蒸发器的水蒸发方案。
图6 (a)热电装置的数码照片（上图：TE模块和稳定温度平台上的气垫纸，下图。TE模块和稳定温度平台上的PXF-90）。(b) PXF-90/TE设备在一个太阳光照下的热和电压响应。(c) PXF-90/TE设备在不同太阳照射强度下产生的开路电压和(d)表面温度。(e) 电流-电压曲线和(f) TE装置或PXF-90/TE装置在不同太阳强度下的最大输出功率。(g) 在不同平台温度下测量的电压曲线。(h) PXF-90和其他已报道的太阳能蒸发器在1个太阳光照下的蒸发率和电功率密度的比较（详见表S2）。(i) PXF-90/TE装置在一个太阳光照下的耐用性。
图7 (a)界面太阳能驱动的户外水蒸发装置示意图。(b) 照片显示PXF-90在直径为15厘米的容器中。(c-e) 显示前55分钟蒸发过程演变的照片。(f) 辐照强度和温度的时间演变。(g) 清洁水生成率和累积生成量的记录。(h) 4天的蒸馏水量。(i) 为小型电子设备供电的热电生产装置方案。(j)工作中的电风扇、(k)工作中的计算器和(l)由PXF-90泡沫/TE装置供电的计时器的光学图像。该工作以Cost-effective, scalable fabrication of self-floating xerogel foam for simultaneous photothermal water 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2022级博士研究生陈玲，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龚江研究员。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/S1385894722058636
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50篇，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。
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