水資源匱乏和能源短缺是威脅人類社會生活的嚴重挑戰。將利用太陽能的界面光熱水蒸發與熱電（TE）模塊相結合是解決上述問題的最佳方案之一。到目前為止，人們在制備先進的光熱材料或設計新型蒸發裝置方面做出了巨大努力，包括利用溶膠-凝膠、增材制造、氣體發泡等方法制造氣凝膠、水凝膠和聚合物海綿/泡沫等在內的三維（3D）、自浮式一體蒸發器。然而，高昂的成本，高能源消耗和有限的產品尺寸限制了三維蒸發器的大規模生產。此外，傳統發泡技術中有毒化學發泡劑和有機溶劑的使用可能會釋放出氫氣或二氧化碳，這對環境并不友好。因此，迫切需要通過低成本、綠色和易于規模化的發泡方法來開發3D太陽能蒸發器，但這樣的概念驗證仍然遙遙無期。
近日，華中科技大學瞿金平院士/牛冉研究員團隊首次報告了用水發泡的方法來開發自浮式一體三維蒸發器，用于有效的太陽能驅動水蒸發和熱電聯產（圖1）。其中CaCl2的加入使蒸發器形成了開孔結構，開孔有利于通過多重內部反射和吸收來充分吸收太陽輻射，并有助于水的運輸以及水蒸汽的逸出（圖2）。其次，CaCl2含量的增加也可以提高光熱轉換能力（圖3）和蒸發效率（圖4）。此外，增加三維蒸發器的高度也可以提高光熱轉換能力和蒸發效率，其中在1 kW m-2太陽照射下的蒸汽產率高達3.39 kg m-2h-1（圖5），與熱電模塊組裝成的產電裝置產電功率達到0.63 W m-2（圖6）。在戶外實驗中，連續24 h的累計產水量達到8.9 kg m-2；幾個熱電裝置串聯可以為電風扇、計算器和計時器等小型設備供電（圖7）。該工作有望解決偏遠地區飲用水和電缺乏的問題。相關工作以“Cost-effective, scalable fabrication of self-floating xerogel foam for simultaneous photothermal water evaporation and thermoelectric power generation”發表在Chemical Engineering Journal （中科院1區，影響因子16.744）
圖3 (a) PXF-90和PVA對AM 1.5 G標準太陽光譜的吸收。(b) PXF-90和PVA在一個太陽光照射下的光熱轉換行為。(c) PXF-90和PVA在一個太陽光照射下的紅外圖像。
圖4 (a) 同時進行蒸汽和熱電發電的裝置示意圖。插圖顯示的是電子天平中的裝置照片。(b) 純水和PXF-x蒸發器在一個太陽照射下的質量損失。(c) PXF-x在一個太陽照射下的蒸發速率和的光蒸汽轉換效率。(d) 純水和PXF-x 的DSC 曲線。(e) 水在黑暗中的蒸發以及通過黑暗蒸發和DSC 測量比較PXF-x中水的蒸發焓。(f) PXF-90中的水狀態圖，顯示了水和聚合物之間的結合、弱化的水-水以及正常的水-水相互作用。
圖7 (a)界面太陽能驅動的戶外水蒸發裝置示意圖。(b) 照片顯示PXF-90在直徑為15厘米的容器中。(c-e) 顯示前55分鐘蒸發過程演變的照片。(f) 輻照強度和溫度的時間演變。(g) 清潔水生成率和累積生成量的記錄。(h) 4天的蒸餾水量。(i) 為小型電子設備供電的熱電生產裝置方案。(j)工作中的電風扇、(k)工作中的計算器和(l)由PXF-90泡沫/TE裝置供電的計時器的光學圖像。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722058636
團隊簡介：
華中科技大學瞿金平院士團隊自2019年組建至今，主要圍繞多相多組分體系傳遞與反應過程強化、生態難消納物質綠色化替代與再利用、功能材料綠色高效制造與產業化應用開展相關研究工作。團隊與國內外眾多高校、研究機構和企業保持密切合作，目前在研縱向和橫向項目多項，擁有一批先進的高分子材料合成、加工和測試表征儀器設備，具備完善的研究設施和科研條件。團隊常年招收碩士研究生、博士研究生、科研助理、機械工程師和博士后（聯系郵箱：niuran@hust.edu.cn）。
牛冉，華中科技大學化學與化工學院研究員、博士生導師，主要研究領域為微納馬達和新能源材料。目前以第一或通訊作者身份在PRL、PNAS、Sci. Adv.、ACS Nano、Small、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、Energy Environ. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces等具有重要影響力的國際刊物上發表SCI論文近50篇，主持承擔國家自然科學基金、重點研發計劃等國家和省部級科技項目多項，并獲得湖北省海外高層次人才計劃、武漢英才等多項榮譽獎勵。
