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北京化工大學汪曉東教授團隊 AFM：基于相變材料的3D太陽能蒸發器促進高效可持續海水淡化和清潔電力產生

2024-03-07 來源：高分子科技

太陽能驅動的界面蒸發系統可以將太陽能吸收并轉化為熱量，用于海水淡化和凈化，其被認為是目前全球緩解淡水短缺最有前途的方法之一。除了實現水清潔之外，太陽能蒸發系統還與能量流有關。在蒸發過程中，因水的定向流動，誘導了密閉區域內穩定的水合離子的定向遷移，產生平面內電位差。如何同時實現高效海水淡化和蒸發發電是界面蒸發領域重大挑戰之一。

圖1 3D太陽能蒸發器用于輸出電壓和水蒸發

近期，北京化工大學汪曉東教授團隊報道了一種分級結構的3D太陽能蒸發器（圖1），通過將石蠟型相變材料與覆蓋有碳黑納米顆粒修飾的聚（對苯二甲酸乙烯酯）織物集成在經3D打印的碗狀3D支撐材料中（圖2a），同時實現了蒸發系統的高輸出電壓和水蒸發速率。相比與傳統的2D蒸發器，3D蒸發器利用光在其內部的多重反射（圖2b-c），能更有效地吸收和轉換太陽能為熱能，極大提升了水蒸發能力（圖2d）。自然光光照下的測試結果顯示，3D蒸發器獲得了3.51 V最大輸出電壓和4.0 kg m^?² h^?¹的高蒸發速率（圖4a-c）。相變材料的引入，可實現對耗散熱量的管理，極大提升了蒸發器的蒸發性能和輸出電壓。與不含相變材料的蒸發器相比，3D蒸發器對電容器的充電時間減少了57.9%，淡水收集量增加了29.9%（圖4d-f）。通過利用相變材料實現對太陽熱能的合理利用，創新性地將相變材料與光熱材料集成在3D界面蒸發系統中，為3D界面蒸發器在間歇性太陽光輻射下同時高效發電和水蒸發領域提供了一種新的策略。該工作以“Phase Change Material Boosting Electricity Output and Freshwater Production through Hierarchical-Structured 3D Solar Evaporator”為題發表在《Advanced Functional Materials》。文章的第一作者為北京化工大學材料學院碩士生李文成，通訊作者為劉歡副教授和汪曉東教授。該研究得到了北京市自然科學基金和國家自然科學基金的支持。

圖2 3D界面蒸發器內部結構示意圖和性能

圖3 3D界面蒸發器在自然光光照下輸出電壓和水蒸發性能

該工作是團隊近期關于相變材料在海水淡化和蒸發發電領域的最新研究進展。間歇性太陽光光照所導致的界面蒸發器的蒸發性能急劇下降是困擾本領域的難題之一。為此，團隊通過將相變材料與界面蒸發相結合，利用相變材料優異的儲能放熱能力，實現了對太陽熱能的有效儲存和可控釋放，為本領域的研究提供了一種可靠的研究思路。在過去兩年中，團隊制備了一系列具有優異光熱吸收和儲熱能力的多層級相變微膠囊（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 50966-50981；J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 25509; Chem. Eng. J., 2023, 458, 141395; Desalination, 2023, 562, 116713），為相變材料在界面蒸發領域的發展做出了大量探索。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202316504

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（責任編輯：xu）

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