我院院長唐少春教授團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,。團隊受自然界“荷葉蒸騰作用”啟發(fā),，設計研制出一種仿生光熱界面蒸發(fā)協(xié)同定向熱擴散效應的高性能水伏發(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)太陽能驅動界面蒸發(fā)式水伏發(fā)電在熱擴散效應向下和水合離子流動電勢向上之間的矛盾,。基于IEHVG單元設計集成的淡水-電力聯(lián)產系統(tǒng),，針對海水光熱界面蒸發(fā)達到了破紀錄的105 V超高輸出電壓和高達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,、水蒸汽等驅動的能量轉換研究引起了國際廣泛關注,，其中利用水分子汽化過程中質量和熱量傳遞的水蒸發(fā)發(fā)電，因具有自發(fā)性強,、成本低等獨特優(yōu)勢在大規(guī)模應用替代傳統(tǒng)發(fā)電方面潛力巨大,。研究發(fā)現(xiàn)，當水分子穿過由表面帶電材料形成的狹窄毛細通道時,，在通道壁的雙電層（EDL）內會引發(fā)離子運動,，從而產生電勢和電流。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)驅動的水伏發(fā)電技術，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,。在太陽能驅動界面蒸發(fā)器中，光熱轉換發(fā)生在蒸發(fā)器的頂層表面,，在加熱過程驅動蒸發(fā)器內部的水流向上運動,，同時使得頂層的局部熱量向下方低溫處擴散；流動電勢基于雙電層效應要求離子運動方向與水流方向相同,，進而通過電荷分離在蒸發(fā)器兩端產生穩(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生熱擴散效應誘導水合離子,、鹽離子向流動電勢相反的方向運動,，這一沖突導致水伏發(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)放大復雜,，難以獲得滿足應用需求的高輸出電壓。

針對以上問題,，我院院長唐少春團隊自然界“荷葉蒸騰作用”的啟發(fā),，設計制備了一種仿生界面蒸發(fā)驅動協(xié)同熱擴散效應的水伏發(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,，直接驅動電子設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理示意圖。

       為了打破流動電勢向上和熱擴散效應向下的矛盾,，該研究通過仿生荷葉莖葉結構設計了具有特定T形水傳輸路徑的IEHVG,，圖1為IEHVG的結構設計和工作機理示意圖。仿生荷葉結構和分層設計,，利用協(xié)同熱擴散效應增強水合離子和鹽離子的流動,，使IEHVG具有出色水傳輸、光熱轉換和電輸出能力,。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,，誘導鹽離子和水合離子從蒸發(fā)器的中間向兩側橫向擴散；同時,，在頂層的蒸發(fā)界面設計了由中間向兩側遞減的梯度疏水涂層,，在光照下可形成由中間向兩側遞減的溫度梯度場和橫向的熱擴散效應。因此,，通過結構設計同時形成了橫向水流驅動的離子擴散和橫向熱擴散效應驅動的離子擴散,，由于兩種離子擴散方向相同，導致IEHVG的發(fā)電性能顯著增強,。

圖2. IEHVG的結構設計及表征,。（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內部的水傳輸路徑,；（H）Zeta電位圖譜。

IEHVG的設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-葉結構,，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納米復合材料（圖2E）,，具有優(yōu)異的電化學活性和豐富的表面電荷（圖2H），提供光熱效應和及蒸發(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生定向溫度梯度，而且防止鹽離子結晶,，在獲得高產淡水的同時確保穩(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）工作機制示意圖。（D）切換左右電極后IEHVG的V_oc響應曲線,。IEHVG在海水中連續(xù)工作 100 h的（E）水蒸發(fā)速率和V_oc,，（F）光學照片。（G）IEHVG 抗鹽機理解釋,。（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,。相應的光學照片表明IEHVG的表面梯度疏水設計具有優(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行淡水-電能聯(lián)合生產具有極大的潛力,。

圖4. IEHVG在（A）不同太陽輻照強度下,（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中產生流動電勢效應的示意圖。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。在頂層熱擴散效應的驅動下,，陽離子遷移速度加快,，在電極兩端形成高濃度差和強流動電位。因此提高光照強度,，水溫和離子濃度能增強流動電勢效應以擴大電極兩端的電位差,，進而提高電輸出。COMSOL理論模擬進一步驗證了IEHVG發(fā)電性能的增強來源于頂層的梯度疏水設計和光照下的協(xié)同熱擴散效應,。因此,，IEHVG 展示了一種獨特的界面蒸發(fā)發(fā)電機制，它由橫向穩(wěn)定離子擴散驅動,，不受界面熱擴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)增流的方式擴大電輸出。

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

        利用IEHVG的可擴展性潛力,，可以靈活設計和集成大型的戶外淡水-電力聯(lián)產系統(tǒng)。團隊將192個IEHVG器件通過森林式集成構建了有效界面蒸發(fā)面積約為2000 cm²的水電聯(lián)產系統(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,。

        當這一集成式水電聯(lián)產系統(tǒng)在戶外實際應用時，光熱層將太陽輻射轉化為熱量,，推動界面水蒸氣生成,，并產生流動電勢和電輸出,。當太陽輻照達到峰值（～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%,，符合世界安全水標準（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

        綜上，團隊通過設計模仿荷葉的蒸騰過程及荷葉的莖葉結構,，成功研制出了一種易擴展的界面蒸發(fā)式水伏發(fā)電器件,，能夠同時從海水中產生高效的水蒸氣和電能。該裝置通過分層功能化設計提高了功率輸出傳統(tǒng)太陽能驅動界面蒸發(fā)式水伏發(fā)電在熱擴散效應向下和水合離子流動電勢向上之間的矛盾,。在此基礎上,，通過多參數(shù)耦合優(yōu)化獲得的最佳參數(shù)，IEHVG在海水中的淡水產量達到2.4 kg m^-2 h^-1,，輸出功率密度達到45.6 μW cm^-2,。基于IEHVG單元設計集成的淡水-電力聯(lián)產系統(tǒng)，海水蒸發(fā)達到了破紀錄的105 V超高輸出電壓和高達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.