海南大学在太阳能蒸发系统中的水-能综合利用研究获系列进展

【蜂耘网  能源环保】近期，南海海洋动力资源方向黄玮副研究员团队撰写的《Hybrid solar evaporation system for water and electricity co-generation: Comprehensive utilization of solar and water energy》综述论文在纳米能源领域Top期刊Nano Energy（IF=19.069）上发表。海南大学本科生桂吉祥为论文第一作者，刘钟馨教授、黄玮副研究员为论文共同作者。

淡水和能源的稀缺以及环境污染已成为威胁人类生存的重大挑战，特别是对于贫困、干旱和离网地区。然而，水和能源过去通常是作为两个相互独立系统和两个独立问题被研究和规划，这使得很难实现淡水和能源的同步可持续供应。因此，迫切需要探索环境友好技术来同时缓解淡水和能源短缺问题。近日，南海海洋动力资源方向黄玮副研究员团队基于光热界面蒸发技术综述了一系列杂化水-电联产系统并系统阐述水-能综合利用关系。

文章综述了各种先进的水-电联产系统（WEG），通过深入分析太阳能界面蒸发系统中的能量流，即太阳能的直接传递和海水淡化过程中水-能的传递，率先总结了太阳能全光谱辐照度、系统余热、机械能、蒸发能和化学梯度能等可进一步收获的能源。通过设计合理的集成结构，利用光伏电池、热电材料、压电纳米发电机、摩擦纳米发电机、水伏纳米发电机和反电渗析技术能够将上述能源直接转化为电能，这些发电策略并不影响淡水生产效率且零碳排放。值得一提的是，对系统能量流、能源收获技术和集成结构的总结为开发高性能和可扩展的WEG设备提供了有力的指导，也为优化日益紧张的水-能关系提供了新思路。

团队近几年围绕光热界面蒸发过程从材料设计、膜结构设计以及水-电联产、水-盐联产、大气捕水、油水分离等多个角度开展了系统性研究工作。近期工作概览如下（2019-2023）：

1. 光热界面蒸发过程研究

受自然蒸腾作用启迪，团队首先基于木材光热膜开展前期工作：在木材的天然管腔阵列中原位负载聚吡咯光热转换剂后，光热水蒸发速率显著提高（Sustainable Energy & Fuels, 2019, 3, 3000）。但是，木材管腔过大，含水量过高，造成大量热能损耗。因此，又进一步对其表面蒸发层含水量和蒸发模式进行调控以优化热管理性能（Small, 2020, 16, 2000573），并对其多孔官腔阵列进行凝胶仿生设计以优化水管理性能（Energy Technology, 2020, 8, 1900721；Journal of Materials Chemistry A, 2021, 9, 15462），提出三维分离式蒸发膜结构（Materials Today Sustainability, 2022, 19, 100223），水蒸发速率和能量利用效率的大幅提高，并且开发出光热油水分离新应用场景（Nano Energy, 2020, 69, 104465）。

2. 水-电联产

水蒸发在自然界无处不在，其中伴随着水伏发电效应。然而，水管理性能的差异导致构建既能高效蒸发又能稳定输出电能的蒸发系统仍然是巨大挑战。本文报道了一种夹层膜策略，通过在薄木片的两个相对侧涂覆两种具有不同通道结构和吸水率的炭黑（CB）/聚乙烯醇（PVA）功能膜，构建用于高效串联太阳能水-电联产的三维不对称蒸发器。该器件实现了1.93 kg m-2 h-1的高蒸发速率，且几个蒸发单元简单的串/并联即可为商用计算器供电，电解亚甲蓝溶液，并点亮发光二极管。该工作是领域内最早提出水-盐联产设想的报道之一。（Nano Energy, 2021, 86, 106112）

3. 水-盐联产

太阳能驱动的界面水蒸发系统为解决全球淡水资源危机提供了一种绿色、环保、可持续的技术方案。然而，目前大多数蒸发器存在成本较高、光热转换效率较低和抗盐能力差等问题，难以实现技术的实用化。探索具有低成本、高能量转换效率、可扩展以及长效耐盐的界面蒸发系统对实现太阳能海水淡化系统的广泛应用至关重要。团队采用静电纺丝膜（Mo2C-C@PAN）作为顶部蒸发层，无纺布（NW）作为底部供水层，构建一种双亲水性Janus结构蒸发器，并结合倾斜隔离结构，实现长期高效水蒸发和灵活的盐处理。所构建的倾斜式Janus蒸发器可以在一个太阳光下实现~260 g m-2 d-1的高效采盐。本研究为双亲水Janus蒸发器长期、高效、协同提取淡水和矿物盐资源提供了新的可能性。（Chemical Engineering Journal, 2023, 461, 141954）

4. 大气捕水

近期，吸附型大气捕水（AWH）策略已成为一种富有前景的清洁水生产方法。虽然吸湿剂的再生会消耗额外的能源，但其来源可以是低品位能源，如太阳能或废热，这使得其在贫困、干旱和离网地区具有广泛的应用前进。团队受植物蒸腾作用启发，开发了一种基于天然油菜花粉细胞衍生的LiCl@花粉细胞-聚吡咯（LiCl@PC-PPy）吸附剂用于AWH。所设计的简易AWH装置可以在夜间吸收水蒸汽1.55 g/g，在1天的室外运行中收集淡水1.53 g/g，且收集的水可以满足世界卫生组织和环境保护署定义的饮用水标准。该工作为改善高容量复合吸附剂的吸附/脱附动力学研究和减少液体泄漏提供新思路。（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 33032）

相关研究工作得到了国家自然科学基金（51902074, 52162012, 52262014）、海南省重点研发计划（ZDYF2022SHFZ053, ZDYF2021GXJS209）、海南省自然科学基金（420RC524, 2019RC141, 520MS015）和南海海洋资源利用国家重点实验室开放课题基金（MRUKF2021030）的支持。

（蜂耘能源环保网  责任编辑：墨染）