我院院長(zhǎng)唐少春教授團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)唐少春教授團(tuán)隊(duì)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(duì)受自然界“荷葉蒸騰作用”啟發(fā),，設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)模仿了荷葉的蒸騰過(guò)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(shí)驗(yàn)和理論模擬表明，這種新型仿生器件打破了傳統(tǒng)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)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(dòng)電勢(shì)向上之間的矛盾,。基于IEHVG單元設(shè)計(jì)集成的淡水-電力聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),，針對(duì)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(xiàng)研究為海上工作平臺(tái)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(guó)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(lái),，基于水流、水波,、水滴,、水蒸汽等驅(qū)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換研究引起了國(guó)際廣泛關(guān)注，其中利用水分子汽化過(guò)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(dú)特優(yōu)勢(shì)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(guò)由表面帶電材料形成的狹窄毛細(xì)通道時(shí),，在通道壁的雙電層（EDL）內(nèi)會(huì)引發(fā)離子運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電勢(shì)和電流,。然而,，基于帶電材料的水蒸發(fā)發(fā)電研究報(bào)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(yáng)能光熱驅(qū)動(dòng)通過(guò)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(shì),，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(yáng)能界面蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏發(fā)電技術(shù),，有望從海洋中收集水蒸氣的同時(shí)捕獲水分子汽化過(guò)程中流動(dòng)勢(shì)能，從而實(shí)現(xiàn)海水水伏發(fā)電和淡水收集,。在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)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(guò)程驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器內(nèi)部的水流向上運(yùn)動(dòng),，同時(shí)使得頂層的局部熱量向下方低溫處擴(kuò)散,；流動(dòng)電勢(shì)基于雙電層效應(yīng)要求離子運(yùn)動(dòng)方向與水流方向相同，進(jìn)而通過(guò)電荷分離在蒸發(fā)器兩端產(chǎn)生穩(wěn)定的電勢(shì)差,。因此,，傳統(tǒng)太陽(yáng)能蒸發(fā)器在界面加熱過(guò)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(dòng)電勢(shì)相反的方向運(yùn)動(dòng),，這一沖突導(dǎo)致水伏發(fā)電器件的電勢(shì)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(duì)以上問(wèn)題,，我院院長(zhǎng)唐少春團(tuán)隊(duì)自然界“荷葉蒸騰作用”的啟發(fā),，設(shè)計(jì)制備了一種仿生界面蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)超過(guò)100 V的超高電壓輸出和針對(duì)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(gè)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(duì)器件集成,，直接驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備或為商用超級(jí)電容器充電。因此,，該研究為近海工作平臺(tái)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(yáng)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(dòng)電勢(shì)向上和熱擴(kuò)散效應(yīng)向下的矛盾,，該研究通過(guò)仿生荷葉莖葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)和工作機(jī)理示意圖,。仿生荷葉結(jié)構(gòu)和分層設(shè)計(jì),，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(dòng)，使IEHVG具有出色水傳輸,、光熱轉(zhuǎn)換和電輸出能力,。通過(guò)橫向上安置電極在蒸發(fā)器的葉片兩端形成流動(dòng)電勢(shì)場(chǎng),，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(shí),，在頂層的蒸發(fā)界面設(shè)計(jì)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(chǎng)和橫向的熱擴(kuò)散效應(yīng)。因此,，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)形成了橫向水流驅(qū)動(dòng)的離子擴(kuò)散和橫向熱擴(kuò)散效應(yīng)驅(qū)動(dòng)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(jì)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(jì)思路來(lái)自于荷葉的蒸騰過(guò)程,，通過(guò)定制分層功能化水凝膠來(lái)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(diǎn)/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(yáng)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(shí)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(cè)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(bào)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(cè)量了其電輸出和水蒸發(fā)性能,。I-V曲線表明IEHVG器件的開(kāi)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(shí)的持久海水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)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(jì)具有優(yōu)異的抗鹽特性,，在海水持續(xù)蒸發(fā)過(guò)程中使其免受鹽結(jié)晶問(wèn)題的干擾。與已報(bào)道的各種HVGs相比（見(jiàn)圖3i所示）,，IEHVG的功率密度輸出具有明顯優(yōu)勢(shì),，加上在海水中穩(wěn)定工作的特點(diǎn)使其在海上工作平臺(tái)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(yáng)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(guò)調(diào)整IEHVG中（E）電極接觸面積和（F）電極相對(duì)位置的功率密度變化,。

圖5.（A）IEHVG中產(chǎn)生流動(dòng)電勢(shì)效應(yīng)的示意圖,。IEHVG和對(duì)照樣IENG的（B1）溫度分布，(B2) 離子對(duì)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(jì),。（G）串聯(lián)/并聯(lián)4個(gè)IEHVG單元的電壓/電流輸出,。（H）IEHVG 集成供電系統(tǒng)照片點(diǎn)亮電子設(shè)備。（I）IEHVG為商用電容器充電的實(shí)時(shí)電壓變化,。

基于上述觀察結(jié)果,，IEHVG的發(fā)電性能主要來(lái)自于電極間的體積電位差。在海水汽化過(guò)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(dòng)下,，陽(yáng)離子遷移速度加快，在電極兩端形成高濃度差和強(qiáng)流動(dòng)電位,。因此提高光照強(qiáng)度,，水溫和離子濃度能增強(qiáng)流動(dòng)電勢(shì)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(yàn)證了IEHVG發(fā)電性能的增強(qiáng)來(lái)源于頂層的梯度疏水設(shè)計(jì)和光照下的協(xié)同熱擴(kuò)散效應(yīng),。因此，IEHVG 展示了一種獨(dú)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(dòng),，不受界面熱擴(kuò)散和流動(dòng)電勢(shì)在縱向的對(duì)流矛盾限制,，這使得IEHVG可以輕松集成以通過(guò)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)?；?/span>應(yīng)用,。（A）示意圖和（B）室外實(shí)驗(yàn)的光學(xué)照片。（C）在白天自然太陽(yáng)光輻照下,，淡水-電能聯(lián)產(chǎn)裝置的光照強(qiáng)度和Voc實(shí)時(shí)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(jì)和集成大型的戶外淡水-電力聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。團(tuán)隊(duì)將192個(gè)IEHVG器件通過(guò)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(cè)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，光熱層將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為熱量,，推動(dòng)界面水蒸氣生成,，并產(chǎn)生流動(dòng)電勢(shì)和電輸出。當(dāng)太陽(yáng)輻照達(dá)到峰值（～75 mW cm^-2）時(shí),，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(cè)試從海水中收集到的淡水，發(fā)現(xiàn)對(duì)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(jiǎn)單易集成的特點(diǎn),，該研究對(duì)于未來(lái)社會(huì)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(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)模仿荷葉的蒸騰過(guò)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(shí)從海水中產(chǎn)生高效的水蒸氣和電能,。該裝置通過(guò)分層功能化設(shè)計(jì)提高了功率輸出傳統(tǒng)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)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(dòng)電勢(shì)向上之間的矛盾,。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)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(jì)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(guò)協(xié)同利用太陽(yáng)輻射加熱和水蒸發(fā)冷凝,，實(shí)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(tái)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.