研究背景
水资源减少和能源短缺是人类社会面临的复杂而严峻的全球问题。目前研究人员致力于解决与水-能源关系相关的环境问题，开发了诸如界面太阳能蒸汽发电 (ISVG)技术，有效地利用太阳光作为能源来集中热能，从而驱动水在水-空气界面的蒸发。然而，蒸发效率取决于能量管理，这一结果已在各种材料系统中得到证实。一方面，太阳能的高效宽带吸收和抑制扩散到环境中的热量损失有利于提高蒸发效率。另一方面，水相变的高能量需求限制了 ISVG 在自然阳光下的蒸发速率。基于这些问题，四川大学杨鸣波、杨伟教授课题组以“A Wave-Driven Piezoelectric Solar Evaporator for Water Purification”为题在国际顶刊《Advanced Energy Materials》(IF=29.368)上发表研究性论文。
研究内容
界面太阳能蒸汽发电是一项新兴技术，能够缓解当前的全球水资源危机。
研究结果
图 1. 基于 BUF 的太阳能驱动水净化界面蒸发系统示意图。基于BUF的蒸发系统由CF光热层和压电功能层组成。对于压电功能层，BaTiO3 纳米颗粒在水相中形成稳定的悬浮液，然后通过水溶性间苯二胺 (MPD) 和油溶性 1,3,5-苯三甲酰氯的界面聚合反应铆接在 PA 层中(TMC)。在太阳照射下，这种基于BUF的蒸发系统可以不断地将来自海洋的波浪能转化为电能，而这种不间断的电能可以激活水，促进蒸发过程。
图 2. 基于 BUF 的太阳能蒸发器的形态。a,b) 基于 BUF 的太阳能蒸发器中 BUF 层表面的 SEM 图像。c) BUF 层的横截面 SEM 图像。d) 纤维素基质、BaTiO3 纳米颗粒和用于固定 BaTiO3 纳米颗粒的 PA 层的平均厚度。e,f) 基于 BUF 的太阳能蒸发器中纤维素基质的横截面 SEM 图像。g,h) EDS 映射图像显示纤维素基质中的钡和钛元素。
图 3. a) 基于 BUF 的蒸汽发生膜在相同正弦机械刺激（海军蓝色）下不同浸泡时间的电压输出。b) 纯BaTiO3、纤维素基材和BUF基蒸汽发生膜在不同浸泡时间下的TGA曲线。c) 基于BUF的蒸汽发生膜在不同浸泡时间下的实验电压响应符号和相应的线性拟合。d) BUF基蒸汽发生膜在50 N下不同循环后浸泡时间为30 min的电压输出。
图 4. a) 用于检测水面波浪力和在各种外部条件下不同方向测量的冲击力的原型示意图。F1、F2 和 F3 表示传感器从三个正交方向接收的力。A和B代表传感器的固定位置。水泵的水通量控制在 7500 或 13 500 L h-1，反映了波浪能的强度。b) 用于测试机械性能的原型示意图。作用力沿动轴方向（上夹具），控制范围为0～3mm。
图 5. a) 用于评估水在交变电场下的化学行为的原型示意图。b) 盐水在 1 V AC 电压 (1 Hz) 下每隔 30 s 的 FTIR 曲线。c) 交变电场下基于 DSC 装置的水蒸发焓收集原型示意图。d) 纯盐水和 1 V AC 电压 (1 Hz) 盐水的 DSC 熔解曲线。e) 用于测试交变电场下真实水汽化焓的原型示意图。f，g）纯盐水和不同交流电压（1、5 和 15 V）的盐水在电极距离分别为 39 和 9 mm 时的失水量。h) 纯盐水和不同交流电压（1、5 和 15 V）的盐水在电极距离分别为 9 和 39 mm 时的等效蒸发焓。
图 6. a) 初始蒸发系统模型：黄色、蓝色和红色球分别代表 N、H 和 O 原子。b）不同电场下水滴中水分子数（N）的时间演化。c）蒸发寿命（τ）和d）水滴在不同电场下的瞬时蒸发率（ν）。
图 7. a) 单层 CF 层的吸收率和透明度光谱。b) 用于测试蒸发速率的原型照片。c) CF + BUF 和 CF + np-BUF 蒸发器在 1 个太阳下与没有任何蒸发器的纯盐水蒸发相比的质量损失。d) CF+BUF 蒸发器在 1 个太阳下收集的水的质量变化。e) 脱盐前后盐度为 40 的标准海水样品中四种初级离子的浓度。f）甲基橙溶液和相应收集水的紫外-可见吸收光谱。
文章链接
https://doi.org/10.1002/aenm.202200087
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