我院院長唐少春教授團(tuán)隊在利用海水高效持續(xù)發(fā)電和同步收集淡水研究方面取得突破

近日，我院院長唐少春教授團(tuán)隊在利用海水高效持續(xù)發(fā)電和同步收集淡水研究方面取得突破。團(tuán)隊受自然界“荷葉蒸騰作用”啟發(fā)，設(shè)計研制出一種仿生光熱界面蒸發(fā)協(xié)同定向熱擴(kuò)散效應(yīng)的高性能水伏發(fā)電器件（IEHVG），實現(xiàn)了海水高效持續(xù)水伏發(fā)電和淡水同步收集。這種新型IEHVG不僅設(shè)計模仿了荷葉的蒸騰過程，而且擁有特定T形水傳輸路徑、定向垂直的孔通道、高表面電荷和梯度疏水蒸發(fā)界面。實驗和理論模擬表明，這種新型仿生器件打破了傳統(tǒng)太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)式水伏發(fā)電在熱擴(kuò)散效應(yīng)向下和水合離子流動電勢向上之間的矛盾。基于IEHVG單元設(shè)計集成的淡水-電力聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，針對海水光熱界面蒸發(fā)達(dá)到了破紀(jì)錄的105 V超高輸出電壓和高達(dá)2.0 L m^-2 h^-1的淡水收集率。

這項研究為海上工作平臺直接利用海水獲取按需電源的接入及持續(xù)淡水收集提供了一種新途徑。該研究成果近日以“Achieving Ultrahigh Voltage over 100 V and Remarkable Freshwater Harvesting based on Thermodiffusion Enhanced Hydrovoltaic Generator”為題在線發(fā)表在國際知名期刊Advanced Energy Materials上(Adv. Energy Mater., 2024, 2400529, DOI: 10.1002/aenm.202400529)。南京大學(xué)在讀博士研究生陳玉為論文第一作者，唐少春教授為通訊作者。

背景介紹

近年來，基于水流、水波、水滴、水蒸汽等驅(qū)動的能量轉(zhuǎn)換研究引起了國際廣泛關(guān)注，其中利用水分子汽化過程中質(zhì)量和熱量傳遞的水蒸發(fā)發(fā)電，因具有自發(fā)性強(qiáng)、成本低等獨特優(yōu)勢在大規(guī)模應(yīng)用替代傳統(tǒng)發(fā)電方面潛力巨大。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水分子穿過由表面帶電材料形成的狹窄毛細(xì)通道時，在通道壁的雙電層（EDL）內(nèi)會引發(fā)離子運(yùn)動，從而產(chǎn)生電勢和電流。然而，基于帶電材料的水蒸發(fā)發(fā)電研究報道僅限于淡水，且環(huán)境熱量補(bǔ)充緩慢使水汽化效率和蒸汽流速受限，從而制約了水伏發(fā)電器件的輸出功率。

太陽能光熱驅(qū)動通過在空氣-液體界面局部集熱快速升溫，在提高水蒸發(fā)和蒸汽流速方面更具優(yōu)勢，能夠拓展到海水、生活和工業(yè)廢水，是一種綠色清潔可持續(xù)的發(fā)電策略。因此，太陽能界面蒸發(fā)驅(qū)動的水伏發(fā)電技術(shù)，有望從海洋中收集水蒸氣的同時捕獲水分子汽化過程中流動勢能，從而實現(xiàn)海水水伏發(fā)電和淡水收集。在太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)器中，光熱轉(zhuǎn)換發(fā)生在蒸發(fā)器的頂層表面，在加熱過程驅(qū)動蒸發(fā)器內(nèi)部的水流向上運(yùn)動，同時使得頂層的局部熱量向下方低溫處擴(kuò)散；流動電勢基于雙電層效應(yīng)要求離子運(yùn)動方向與水流方向相同，進(jìn)而通過電荷分離在蒸發(fā)器兩端產(chǎn)生穩(wěn)定的電勢差。因此，傳統(tǒng)太陽能蒸發(fā)器在界面加熱過程中產(chǎn)生熱擴(kuò)散效應(yīng)誘導(dǎo)水合離子、鹽離子向流動電勢相反的方向運(yùn)動，這一沖突導(dǎo)致水伏發(fā)電器件的電勢降低。特別是，水伏發(fā)電器件的集成和系統(tǒng)放大復(fù)雜，難以獲得滿足應(yīng)用需求的高輸出電壓。

針對以上問題，我院院長唐少春團(tuán)隊自然界“荷葉蒸騰作用”的啟發(fā)，設(shè)計制備了一種仿生界面蒸發(fā)驅(qū)動協(xié)同熱擴(kuò)散效應(yīng)的水伏發(fā)電器件（IEHVG）。該器件易于放大集成，基于外部參數(shù)耦合的優(yōu)化將器件集成，能夠實現(xiàn)超過100 V的超高電壓輸出和針對海水的2.0 L m^-2 h^-1高淡水產(chǎn)率。由于定向垂直的液體傳輸通道、高表面電荷和梯度疏水蒸發(fā)界面，單個器件在1 kW m^-2模擬光照下達(dá)到45.6 μW cm^-2的功率密度。特別是，能夠按電壓需求對器件集成，直接驅(qū)動電子設(shè)備或為商用超級電容器充電。因此，該研究為近海工作平臺高壓電源接入及持續(xù)淡水收集提供了一種新途徑，能夠利用海水持續(xù)獲得稀缺的淡水和按需電能。

圖文速覽

圖1. IEHVG在太陽光照下持續(xù)輸出電能和收集淡水的工作機(jī)理示意圖。

       為了打破流動電勢向上和熱擴(kuò)散效應(yīng)向下的矛盾，該研究通過仿生荷葉莖葉結(jié)構(gòu)設(shè)計了具有特定T形水傳輸路徑的IEHVG，圖1為IEHVG的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作機(jī)理示意圖。仿生荷葉結(jié)構(gòu)和分層設(shè)計，利用協(xié)同熱擴(kuò)散效應(yīng)增強(qiáng)水合離子和鹽離子的流動，使IEHVG具有出色水傳輸、光熱轉(zhuǎn)換和電輸出能力。通過橫向上安置電極在蒸發(fā)器的葉片兩端形成流動電勢場，誘導(dǎo)鹽離子和水合離子從蒸發(fā)器的中間向兩側(cè)橫向擴(kuò)散；同時，在頂層的蒸發(fā)界面設(shè)計了由中間向兩側(cè)遞減的梯度疏水涂層，在光照下可形成由中間向兩側(cè)遞減的溫度梯度場和橫向的熱擴(kuò)散效應(yīng)。因此，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計同時形成了橫向水流驅(qū)動的離子擴(kuò)散和橫向熱擴(kuò)散效應(yīng)驅(qū)動的離子擴(kuò)散，由于兩種離子擴(kuò)散方向相同，導(dǎo)致IEHVG的發(fā)電性能顯著增強(qiáng)。

圖2. IEHVG的結(jié)構(gòu)設(shè)計及表征。（A）IEHVG 照片和分層功能化示意圖；（B）XPS Si 2p光譜；（C, D）底層和中間層的截面SEM圖；（E）GQDs/MXene光熱材料的TEM圖；（F）Raman圖譜；（G）IEHVG內(nèi)部的水傳輸路徑；（H）Zeta電位圖譜。

IEHVG的設(shè)計思路來自于荷葉的蒸騰過程，通過定制分層功能化水凝膠來模擬荷葉的莖-葉結(jié)構(gòu)，如圖2A所示。底層（蓮莖）是殼聚糖/羧甲基纖維素水凝膠，為海水定向快速傳輸提供定向規(guī)則的孔通道（圖2C-D）；中間層是石墨烯量子點/MXene納米復(fù)合材料（圖2E），具有優(yōu)異的電化學(xué)活性和豐富的表面電荷（圖2H），提供光熱效應(yīng)和及蒸發(fā)發(fā)電；頂層（荷葉）是透明的十八烷基三氯硅烷梯度疏水涂層，在太陽光照下可不僅產(chǎn)生定向溫度梯度，而且防止鹽離子結(jié)晶，在獲得高產(chǎn)淡水的同時確保穩(wěn)定持續(xù)發(fā)電。

圖3. IEHVG 的發(fā)電性能和蒸發(fā)穩(wěn)定性分析。（A）IEHVG的 I-V曲線，（B）V_oc, I_sc, 和功率密度測試，和（C）工作機(jī)制示意圖。（D）切換左右電極后IEHVG的V_oc響應(yīng)曲線。IEHVG在海水中連續(xù)工作 100 h的（E）水蒸發(fā)速率和V_oc，（F）光學(xué)照片。（G）IEHVG 抗鹽機(jī)理解釋。（H）不同電阻下IEHVG的功率密度和V_oc值。（I）IEHVG與已報道的各種 HVGs的V_oc和功率密度性能比較。

將IEHVG浸入人工海水中，在AM 1.5G輻照下測量了其電輸出和水蒸發(fā)性能。I-V曲線表明IEHVG器件的開路電壓（V_oc）為0.8 V，短路電流（I_sc）為46.0 μA，功率密度為45.6 μW cm^-2。在連續(xù)100小時的持久海水蒸發(fā)實驗中，IEHVG始終維持2.4 kg m^-2 h^-1的水蒸發(fā)速率和0.8 V的穩(wěn)定V_oc輸出。相應(yīng)的光學(xué)照片表明IEHVG的表面梯度疏水設(shè)計具有優(yōu)異的抗鹽特性，在海水持續(xù)蒸發(fā)過程中使其免受鹽結(jié)晶問題的干擾。與已報道的各種HVGs相比（見圖3i所示），IEHVG的功率密度輸出具有明顯優(yōu)勢，加上在海水中穩(wěn)定工作的特點使其在海上工作平臺進(jìn)行淡水-電能聯(lián)合生產(chǎn)具有極大的潛力。

圖4. IEHVG在（A）不同太陽輻照強(qiáng)度下,（B）不同溫度海水中，和（C）不同溶液中的發(fā)電性能；（D）IEHVG的CV曲線；通過調(diào)整IEHVG中（E）電極接觸面積和（F）電極相對位置的功率密度變化。

圖5.（A）IEHVG中產(chǎn)生流動電勢效應(yīng)的示意圖。IEHVG和對照樣IENG的（B1）溫度分布，(B2) 離子對流和（C）離子濃度分布的數(shù)值模擬。光照前后IEHVG和IENG的（D）Voc和（E）Isc 曲線。（F）IEHVG中不同模式參與發(fā)電貢獻(xiàn)的數(shù)值統(tǒng)計。（G）串聯(lián)/并聯(lián)4個IEHVG單元的電壓/電流輸出。（H）IEHVG 集成供電系統(tǒng)照片點亮電子設(shè)備。（I）IEHVG為商用電容器充電的實時電壓變化。

基于上述觀察結(jié)果，IEHVG的發(fā)電性能主要來自于電極間的體積電位差。在海水汽化過程中，大量離子（如H₃O⁺、Na⁺）被解離，隨后被吸附到 MXene/GQDs表面形成雙電層。在頂層熱擴(kuò)散效應(yīng)的驅(qū)動下，陽離子遷移速度加快，在電極兩端形成高濃度差和強(qiáng)流動電位。因此提高光照強(qiáng)度，水溫和離子濃度能增強(qiáng)流動電勢效應(yīng)以擴(kuò)大電極兩端的電位差，進(jìn)而提高電輸出。COMSOL理論模擬進(jìn)一步驗證了IEHVG發(fā)電性能的增強(qiáng)來源于頂層的梯度疏水設(shè)計和光照下的協(xié)同熱擴(kuò)散效應(yīng)。因此，IEHVG 展示了一種獨特的界面蒸發(fā)發(fā)電機(jī)制，它由橫向穩(wěn)定離子擴(kuò)散驅(qū)動，不受界面熱擴(kuò)散和流動電勢在縱向的對流矛盾限制，這使得IEHVG可以輕松集成以通過串聯(lián)增壓/并聯(lián)增流的方式擴(kuò)大電輸出。

圖6. IEHVG的森林式集成和規(guī)模化應(yīng)用。（A）示意圖和（B）室外實驗的光學(xué)照片。（C）在白天自然太陽光輻照下，淡水-電能聯(lián)產(chǎn)裝置的光照強(qiáng)度和Voc實時變化曲線。（D）淡水-電能聯(lián)產(chǎn)裝置在水凝結(jié)收集階段的光學(xué)照片。（E）海水處理前后水中離子濃度的變化。

        利用IEHVG的可擴(kuò)展性潛力，可以靈活設(shè)計和集成大型的戶外淡水-電力聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。團(tuán)隊將192個IEHVG器件通過森林式集成構(gòu)建了有效界面蒸發(fā)面積約為2000 cm²的水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，其包括光熱海水蒸發(fā)部分、淡水冷凝和收集部分、鹽晶體收集部分以及電輸出檢測和利用部分，如圖6A所示。

        當(dāng)這一集成式水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在戶外實際應(yīng)用時，光熱層將太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱量，推動界面水蒸氣生成，并產(chǎn)生流動電勢和電輸出。當(dāng)太陽輻照達(dá)到峰值（～75 mW cm^-2）時，獲得了約105.6 V的超高V_oc和約為2.0 L m^-2 h^-1淡水生產(chǎn)速率。測試從海水中收集到的淡水，發(fā)現(xiàn)對鈉、鎂、鋁和鈣等主要鹽離子的凈化率接近 100%，符合世界安全水標(biāo)準(zhǔn)（圖6E）。由于簡單易集成的特點，該研究對于未來社會稀缺的淡水-電能獲取提供了可供選擇的方案。

總結(jié)

        綜上，團(tuán)隊通過設(shè)計模仿荷葉的蒸騰過程及荷葉的莖葉結(jié)構(gòu)，成功研制出了一種易擴(kuò)展的界面蒸發(fā)式水伏發(fā)電器件，能夠同時從海水中產(chǎn)生高效的水蒸氣和電能。該裝置通過分層功能化設(shè)計提高了功率輸出傳統(tǒng)太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)式水伏發(fā)電在熱擴(kuò)散效應(yīng)向下和水合離子流動電勢向上之間的矛盾。在此基礎(chǔ)上，通過多參數(shù)耦合優(yōu)化獲得的最佳參數(shù)，IEHVG在海水中的淡水產(chǎn)量達(dá)到2.4 kg m^-2 h^-1，輸出功率密度達(dá)到45.6 μW cm^-2。基于IEHVG單元設(shè)計集成的淡水-電力聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，海水蒸發(fā)達(dá)到了破紀(jì)錄的105 V超高輸出電壓和高達(dá)2.0 L m^-2 h^-1的淡水收集率。該研究工作通過協(xié)同利用太陽輻射加熱和水蒸發(fā)冷凝，實現(xiàn)了海水高效持續(xù)水伏發(fā)電和淡水同步收集，為海上工作平臺直接利用海水獲取按需電源的接入及持續(xù)淡水收集提供了一種新途徑。

論文信息

Yu Chen, Jiajun He, Chengwei Ye, Shaochun Tang*, Achieving Ultrahigh Voltage Over 100 V and Remarkable Freshwater Harvesting Based on Thermodiffusion Enhanced Hydrovoltaic Generator, Adv. Energy Mater. 2024, 2400529. DOI: 10.1002/aenm.202400529.