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基于鈉磺酸鹽電解質骨架的水凝膠太陽能蒸發器，可實現連續高鹽度脫鹽和能源生成
發布時間：2025-10-27 瀏覽量：1143
1. 文章信息
標題：Hydrogel solar evaporator with a sodium sulfonate electrolyte backbone enabling continuous high-salinity desalination and energy generation
中文標題：基于鈉磺酸鹽電解質骨架的水凝膠太陽能蒸發器，可實現連續高鹽度脫鹽和能源生成
頁碼：111182
DOI：10.1016/j.nanoen.2025.111182
2. 文章鏈接
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111182
3. 期刊信息
期刊名：Nano Energy
ISSN：2211-2855
2025年影響因子：16.8
分區信息： JCR分區：Q1
涉及研究方向：材料科學綜合/物理化學
4. 作者信息：第一作者是荊鑫瑜。通訊作者為劉雄。
5.文章所用產品：CEL-S500氙燈光源；
文章簡介
太陽能驅動的海水淡化被認為是一種具有前途的淡水獲取技術，該技術具有低碳和高能量輸入的優勢。然而，海水中鹽分的積累限制了太陽能蒸發器的長期應用。受唐南效應的啟發，劉雄團隊設計了一系列聚陰離子水凝膠蒸發器用于保證在高濃度鹽水中的蒸發效率，同時借助于Ti3C2TX優異的光熱轉換能力該裝置還可以還進行熱電發電。用殼聚糖（CS）作為網絡結構，與含有可電離磺酸基（-SO3-）的聚電解質和PAM互穿，形成聚陰離子電解質水凝膠。分別研究不同種類磺酸鈉單體（2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸鈉（NaAMPS），乙烯基磺酸鈉（VBS），烯丙基磺酸鈉（ALS）或者聚苯乙烯磺酸鈉（PSS））和不同單體含量對鹽水中蒸發速率的影響。
結果表明，隨著水凝膠固定在供水層中的反離子Na+含量的升高，水凝膠的抗鹽能力呈現增高的趨勢。在20 wt% NaCl溶液中，NaAMPS 含量占總單體量為10%的水凝膠展示出2.23 kg m-2 h-1的蒸發率和98%的蒸發效率。水凝膠供水層內受限的Na+的高化學電位引發 Donnan 分布平衡，使得鹽水中進入水凝膠中鹽離子量大大減少，這進一步避免了鹽分積累引發的性能下降問題。值得注意的是，盡管在極低的溫度（-4.8 ℃）和光通量（9.8 kW m-2）的惡略環境中，CAN2水凝膠蒸發器仍然具有一定的蒸發能力。
此外，將水凝膠與熱電模塊進行組裝，該裝置展示出穩定的輸出功率0.37 W m-2和1.85kg m-2 h-1的蒸發速率在1太陽光照下。這項工作不僅為高濃度鹽水中淡水的獲取提供了新穎的技術手段，同時還為太陽能熱電發電提供了靈活應用方法。相關研究成果以“Hydrogel solar evaporator with a sodium sulfonate electrolyte backbone enabling continuous high-salinity desalination and energy generation”為題在《Nano Energy》期刊上發表。劉雄副教授為該論文的通訊作者，荊鑫瑜為該論文的第一作者。
圖1：（a）陰離子水凝膠的成分和優勢。（b）唐南效應誘導的耐鹽機理。（c）水凝膠凈水和發電的示意圖。
圖2：(a)負電性水凝膠的制備過程。(b) CAN2的吸收光譜。（c）CAN0和CAN2的XPS圖。CAN2的XPS圖: (d) S 2p，(e) Na 1s。（f-i）CAN0，CAN1，CAN2和CAN3的SEM圖。
圖3：CAN0和CAN2水凝膠: (a-b) 拉伸的應力-應變曲線和韌性。 (c) CAN2水凝膠60%應變下的拉伸循環的應力-應變曲線。 (d) CAN0和CAN2水凝膠的壓縮的應力-應變曲線。 (e) CAN2的壓縮循環的應力-應變曲線。 (f) 樣品圖片，樣品彎曲，拉伸，扭曲，壓縮圖片和撤去應力后的樣品圖片。
圖4：（a）室內蒸發實驗裝置圖。水凝膠的水接觸角圖：（b-c）CAN0和CAN2。（d）CAN0和CAN2的飽和水含量和水運輸速率。（e）CAN2的紅外圖片（f） 未添加Ti3C2Tx的CAN2 的紅外圖片。（g）CAN2的頂層和底層溫度。（h）蒸發速率。（i）蒸發焓和蒸發效率。（j）不同鹽度時的蒸發速率在以前所作的工作中。（k）蒸發焓降低的原理。
圖5：（a）不同濃度鹽水中的蒸發速率。（b）CAN2的質量損失在連續12 h光照時。（c）CAN2的蒸發速率在連續12 h光照時。（d）光照12h后和關燈12h后的蒸發器表面圖片。（e）蒸發速率和質量損失在關燈12h后繼續進行的蒸發實驗。（f）CAN2，CAN/VBS，CAN/SAF，CAN/PSS的蒸發速率。（g）CAN2的蒸發速率在不同光照強度時。（h）蒸發水收集裝置。（i）離子濃度的改變在凈水前后。（j）重金屬離子濃度的改變在凈水前后。（k）亞甲基藍濃度的改變在凈水前后。（l）甲基橙濃度的改變在凈水前后。
圖6：室外第一天蒸發實驗：（a）蒸發速率，（b）光照強度和溫度。（c）室外長循環實驗。室外第九天蒸發實驗：（d）蒸發速率，（e）光照強度和溫度。（f）低溫測試環境圖片。低溫環境蒸發實驗：（g）蒸發速率，（h）光照強度和溫度。（i）CAN2水凝膠樣品、擠壓、折疊和扭曲圖片。（j）室外蒸發和蒸餾水收集裝置。（k）光照強度和溫度曲線。
圖7：（a）唐南效應誘導的高效耐鹽機理。（b）聚陰離子水凝膠層和鹽水的初始離子濃度。（c）聚陰離子水凝膠層和鹽水之間的唐南分布平衡。（d）進入CAN水凝膠中Na+和Cl-濃度。
圖8：（a）熱電聯產裝置示意圖與溫差發電原理示意圖。（b）Voc的變化。（c）不同光照條件時Voc。（d）不同光照條件的Isc。（e）1太陽光照時Isc。（f）不同光照條件下的功率和功率密度。（g）CAN2水凝膠在1太陽光照時Isc。