《文章投稿》基于鈉磺酸鹽電解質(zhì)骨架的水凝膠太陽能蒸發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)高鹽度脫鹽和能源生成

1. 文章信息

標(biāo)題：Hydrogel solar evaporator with a sodium sulfonate electrolyte backbone enabling continuous high-salinity desalination and energy generation

中文標(biāo)題：基于鈉磺酸鹽電解質(zhì)骨架的水凝膠太陽能蒸發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)高鹽度脫鹽和能源生成

頁碼：111182

DOI：10.1016/j.nanoen.2025.111182

2. 文章鏈接

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111182

3. 期刊信息

期刊名：Nano Energy

ISSN：2211-2855

2025年影響因子：16.8

分區(qū)信息： JCR分區(qū)：Q1

涉及研究方向：材料科學(xué)綜合/物理化學(xué)

4. 作者信息：第一作者是荊鑫瑜。通訊作者為劉雄。

5.文章所用產(chǎn)品：CEL-S500氙燈光源；

文章簡介

 太陽能驅(qū)動的海水淡化被認(rèn)為是一種具有前途的淡水獲取技術(shù)，該技術(shù)具有低碳和高能量輸入的優(yōu)勢。然而，海水中鹽分的積累限制了太陽能蒸發(fā)器的長期應(yīng)用。受唐南效應(yīng)的啟發(fā)，劉雄團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一系列聚陰離子水凝膠蒸發(fā)器用于保證在高濃度鹽水中的蒸發(fā)效率，同時借助于Ti3C2TX優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力該裝置還可以還進(jìn)行熱電發(fā)電。用殼聚糖（CS）作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與含有可電離磺酸基（-SO3-）的聚電解質(zhì)和PAM互穿，形成聚陰離子電解質(zhì)水凝膠。分別研究不同種類磺酸鈉單體（2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸鈉（NaAMPS），乙烯基磺酸鈉（VBS），烯丙基磺酸鈉（ALS）或者聚苯乙烯磺酸鈉（PSS））和不同單體含量對鹽水中蒸發(fā)速率的影響。

 結(jié)果表明，隨著水凝膠固定在供水層中的反離子Na+含量的升高，水凝膠的抗鹽能力呈現(xiàn)增高的趨勢。在20 wt% NaCl溶液中，NaAMPS 含量占總單體量為10%的水凝膠展示出2.23  kg m-2 h-1的蒸發(fā)率和98%的蒸發(fā)效率。水凝膠供水層內(nèi)受限的Na+的高化學(xué)電位引發(fā) Donnan 分布平衡，使得鹽水中進(jìn)入水凝膠中鹽離子量大大減少，這進(jìn)一步避免了鹽分積累引發(fā)的性能下降問題。值得注意的是，盡管在極低的溫度（-4.8 ℃）和光通量（9.8 kW m-2）的惡略環(huán)境中，CAN2水凝膠蒸發(fā)器仍然具有一定的蒸發(fā)能力。

 此外，將水凝膠與熱電模塊進(jìn)行組裝，該裝置展示出穩(wěn)定的輸出功率0.37 W m-2和1.85kg m-2 h-1的蒸發(fā)速率在1太陽光照下。這項(xiàng)工作不僅為高濃度鹽水中淡水的獲取提供了新穎的技術(shù)手段，同時還為太陽能熱電發(fā)電提供了靈活應(yīng)用方法。相關(guān)研究成果以“Hydrogel solar evaporator with a sodium sulfonate electrolyte backbone enabling continuous high-salinity desalination and energy generation"為題在《Nano Energy》期刊上發(fā)表。劉雄副教授為該論文的通訊作者，荊鑫瑜為該論文的第一作者。

圖1：（a）陰離子水凝膠的成分和優(yōu)勢。（b）唐南效應(yīng)誘導(dǎo)的耐鹽機(jī)理。（c）水凝膠凈水和發(fā)電的示意圖。

 圖2：(a)負(fù)電性水凝膠的制備過程。(b) CAN2的吸收光譜。（c）CAN0和CAN2的XPS圖。CAN2的XPS圖: (d) S 2p，(e) Na 1s。（f-i）CAN0，CAN1，CAN2和CAN3的SEM圖。

 圖3：CAN0和CAN2水凝膠: (a-b) 拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和韌性。 (c) CAN2水凝膠60%應(yīng)變下的拉伸循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 (d) CAN0和CAN2水凝膠的壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 (e) CAN2的壓縮循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 (f) 樣品圖片，樣品彎曲，拉伸，扭曲，壓縮圖片和撤去應(yīng)力后的樣品圖片。

 圖4：（a）室內(nèi)蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置圖。水凝膠的水接觸角圖：（b-c）CAN0和CAN2。（d）CAN0和CAN2的飽和水含量和水運(yùn)輸速率。（e）CAN2的紅外圖片（f） 未添加Ti3C2Tx的CAN2 的紅外圖片。（g）CAN2的頂層和底層溫度。（h）蒸發(fā)速率。（i）蒸發(fā)焓和蒸發(fā)效率。（j）不同鹽度時的蒸發(fā)速率在以前所作的工作中。（k）蒸發(fā)焓降低的原理。

 圖5：（a）不同濃度鹽水中的蒸發(fā)速率。（b）CAN2的質(zhì)量損失在連續(xù)12 h光照時。（c）CAN2的蒸發(fā)速率在連續(xù)12 h光照時。（d）光照12h后和關(guān)燈12h后的蒸發(fā)器表面圖片。（e）蒸發(fā)速率和質(zhì)量損失在關(guān)燈12h后繼續(xù)進(jìn)行的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)。（f）CAN2，CAN/VBS，CAN/SAF，CAN/PSS的蒸發(fā)速率。（g）CAN2的蒸發(fā)速率在不同光照強(qiáng)度時。（h）蒸發(fā)水收集裝置。（i）離子濃度的改變在凈水前后。（j）重金屬離子濃度的改變在凈水前后。（k）亞甲基藍(lán)濃度的改變在凈水前后。（l）甲基橙濃度的改變在凈水前后。

 圖6：室外第一天蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)：（a）蒸發(fā)速率，（b）光照強(qiáng)度和溫度。（c）室外長循環(huán)實(shí)驗(yàn)。室外第九天蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)：（d）蒸發(fā)速率，（e）光照強(qiáng)度和溫度。（f）低溫測試環(huán)境圖片。低溫環(huán)境蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)：（g）蒸發(fā)速率，（h）光照強(qiáng)度和溫度。（i）CAN2水凝膠樣品、擠壓、折疊和扭曲圖片。（j）室外蒸發(fā)和蒸餾水收集裝置。（k）光照強(qiáng)度和溫度曲線。

 圖7：（a）唐南效應(yīng)誘導(dǎo)的高效耐鹽機(jī)理。（b）聚陰離子水凝膠層和鹽水的初始離子濃度。（c）聚陰離子水凝膠層和鹽水之間的唐南分布平衡。（d）進(jìn)入CAN水凝膠中Na+和Cl-濃度。

 圖8：（a）熱電聯(lián)產(chǎn)裝置示意圖與溫差發(fā)電原理示意圖。（b）Voc的變化。（c）不同光照條件時Voc。（d）不同光照條件的Isc。（e）1太陽光照時Isc。（f）不同光照條件下的功率和功率密度。（g）CAN2水凝膠在1太陽光照時Isc。