水資源匱乏和能源短缺是威脅人類社會生活的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。將利用太陽能的界面光熱水蒸發(fā)與熱電（TE）模塊相結(jié)合是解決上述問題的最佳方案之一。到目前為止，人們在制備先進(jìn)的光熱材料或設(shè)計(jì)新型蒸發(fā)裝置方面做出了巨大努力，包括利用溶膠-凝膠、增材制造、氣體發(fā)泡等方法制造氣凝膠、水凝膠和聚合物海綿/泡沫等在內(nèi)的三維（3D）、自浮式一體蒸發(fā)器。然而，高昂的成本，高能源消耗和有限的產(chǎn)品尺寸限制了三維蒸發(fā)器的大規(guī)模生產(chǎn)。此外，傳統(tǒng)發(fā)泡技術(shù)中有毒化學(xué)發(fā)泡劑和有機(jī)溶劑的使用可能會釋放出氫氣或二氧化碳，這對環(huán)境并不友好。因此，迫切需要通過低成本、綠色和易于規(guī)；陌l(fā)泡方法來開發(fā)3D太陽能蒸發(fā)器，但這樣的概念驗(yàn)證仍然遙遙無期。
近日，華中科技大學(xué)瞿金平院士/牛冉研究員團(tuán)隊(duì)首次報(bào)告了用水發(fā)泡的方法來開發(fā)自浮式一體三維蒸發(fā)器，用于有效的太陽能驅(qū)動水蒸發(fā)和熱電聯(lián)產(chǎn)（圖1）。其中CaCl2的加入使蒸發(fā)器形成了開孔結(jié)構(gòu)，開孔有利于通過多重內(nèi)部反射和吸收來充分吸收太陽輻射，并有助于水的運(yùn)輸以及水蒸汽的逸出（圖2）。其次，CaCl2含量的增加也可以提高光熱轉(zhuǎn)換能力（圖3）和蒸發(fā)效率（圖4）。此外，增加三維蒸發(fā)器的高度也可以提高光熱轉(zhuǎn)換能力和蒸發(fā)效率，其中在1 kW m-2太陽照射下的蒸汽產(chǎn)率高達(dá)3.39 kg m-2h-1（圖5），與熱電模塊組裝成的產(chǎn)電裝置產(chǎn)電功率達(dá)到0.63 W m-2（圖6）。在戶外實(shí)驗(yàn)中，連續(xù)24 h的累計(jì)產(chǎn)水量達(dá)到8.9 kg m-2；幾個熱電裝置串聯(lián)可以為電風(fēng)扇、計(jì)算器和計(jì)時器等小型設(shè)備供電（圖7）。該工作有望解決偏遠(yuǎn)地區(qū)飲用水和電缺乏的問題。相關(guān)工作以“Cost-effective, scalable fabrication of self-floating xerogel foam for simultaneous photothermal water evaporation and thermoelectric power generation”發(fā)表在Chemical Engineering Journal （中科院1區(qū)，影響因子16.744）
圖3 (a) PXF-90和PVA對AM 1.5 G標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜的吸收。(b) PXF-90和PVA在一個太陽光照射下的光熱轉(zhuǎn)換行為。(c) PXF-90和PVA在一個太陽光照射下的紅外圖像。
圖4 (a) 同時進(jìn)行蒸汽和熱電發(fā)電的裝置示意圖。插圖顯示的是電子天平中的裝置照片。(b) 純水和PXF-x蒸發(fā)器在一個太陽照射下的質(zhì)量損失。(c) PXF-x在一個太陽照射下的蒸發(fā)速率和的光蒸汽轉(zhuǎn)換效率。(d) 純水和PXF-x 的DSC 曲線。(e) 水在黑暗中的蒸發(fā)以及通過黑暗蒸發(fā)和DSC 測量比較PXF-x中水的蒸發(fā)焓。(f) PXF-90中的水狀態(tài)圖，顯示了水和聚合物之間的結(jié)合、弱化的水-水以及正常的水-水相互作用。
圖7 (a)界面太陽能驅(qū)動的戶外水蒸發(fā)裝置示意圖。(b) 照片顯示PXF-90在直徑為15厘米的容器中。(c-e) 顯示前55分鐘蒸發(fā)過程演變的照片。(f) 輻照強(qiáng)度和溫度的時間演變。(g) 清潔水生成率和累積生成量的記錄。(h) 4天的蒸餾水量。(i) 為小型電子設(shè)備供電的熱電生產(chǎn)裝置方案。(j)工作中的電風(fēng)扇、(k)工作中的計(jì)算器和(l)由PXF-90泡沫/TE裝置供電的計(jì)時器的光學(xué)圖像。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722058636
團(tuán)隊(duì)簡介：
華中科技大學(xué)瞿金平院士團(tuán)隊(duì)自2019年組建至今，主要圍繞多相多組分體系傳遞與反應(yīng)過程強(qiáng)化、生態(tài)難消納物質(zhì)綠色化替代與再利用、功能材料綠色高效制造與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用開展相關(guān)研究工作。團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)外眾多高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)保持密切合作，目前在研縱向和橫向項(xiàng)目多項(xiàng)，擁有一批先進(jìn)的高分子材料合成、加工和測試表征儀器設(shè)備，具備完善的研究設(shè)施和科研條件。團(tuán)隊(duì)常年招收碩士研究生、博士研究生、科研助理、機(jī)械工程師和博士后（聯(lián)系郵箱：niuran@hust.edu.cn）。
牛冉，華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒓{馬達(dá)和新能源材料。目前以第一或通訊作者身份在PRL、PNAS、Sci. Adv.、ACS Nano、Small、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、Energy Environ. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces等具有重要影響力的國際刊物上發(fā)表SCI論文近50篇，主持承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等國家和省部級科技項(xiàng)目多項(xiàng)，并獲得湖北省海外高層次人才計(jì)劃、武漢英才等多項(xiàng)榮譽(yù)獎勵。
