【科技前沿】第25期：微能量捕获实现水电联产性能互促

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近日，我校苗蕾教授（第一通讯作者）课题组穆晓江博士（第一作者），联合日本国立物质材料研究机构森孝雄教授（第二通讯作者）报道了“Robust Starch-PolyacrylamideHydrogel with Scavenging Energy Harvesting Capacity for Efficient Solar Thermoelectricity-Freshwater Cogeneration”（基于强鲁棒性淀粉-聚丙烯酰胺水凝胶的微能量捕获促进水电联产性能）研究成果。该成果于2022年6月28日在线发表于国际顶级期刊Energy & Environmental Science上（2021-2022年影响因子IF为39.714），这是星空网页版登录入口首次以第一作者、第一工作单位并且第一通讯单位在能源和环境领域国际顶级期刊Energy & Environmental Science上发表研究文章（Research paper）。

随着全球人口的急速增长以及经济的快速发展，环境污染、煤炭资源短缺等问题日益突出。据悉，在2025年，世界上超过三分之二的人口将面临缺水窘境，尤其在欠发达地区，饮用水和电能的供应已经远远更不上需求，水-电纽带成为了可持续发展历程中至关重要的一个环节。

太阳能光热蒸汽技术是一种新兴的净水手段，它利用高效的光热转换材料，将太阳光转换成热能，加速水蒸气的产生，促进水分子与污染物的分离。但是，从太阳能吸收体到水体的传导热损失以及蒸发器表面的结盐问题一直是困扰这一技术向前发展的两大难题。热电材料通过塞贝克效应输出电能，其优异的环境适应性使其可以在不同的条件下工作。然而，为了获得理想的输出性能，热电器件冷端常采用诸如：散热片、辐射制冷器等附件将冷端的废热直接或间接地耗散在周围空气中，导致了能量损失较大。

基于上述研究背景，本文通过将富含羟基的可溶性淀粉微观修饰于聚丙烯酰胺水凝胶壁上（S-PAM），增加了其鲁棒性和吸水速度，使用S-PAM水凝胶和热电片构建了一种新型的水电联产器，通过理论模拟和能量计算优化了该联产器的热传输通道，最大化程度地利用了太阳能和微能量（相变潜热、环境热能、冷端散热、减小热损失）。

本研究从微能量获取利用出发，设计了一种新颖的水电联产器，在空间上解耦了太阳能吸收体和蒸发器，避免了结盐对太阳能吸收率的影响，通过冷端废热、水蒸发潜热、环境能量的利用以及传导热损失的消除，该联产器获得了1.79kgm-2h-1的蒸发速率和11.39Wm-2的最大输出功率密度，对于金属离子和重金属离子都展现出了很好的滤除效果，产出的纯净水能够满足世界健康组织直饮水的标准。此外，自主搭建的户外装置在连续8小时的自然太阳光照射下，获得了0.92kgm-2的纯水收集率和3.96V的最大输出电压。该研究推动了水电联产系统的实际应用，将会加速联合国可持续发展目标的实现进程。该项目获得广西电子信息材料构效关系重点实验室和电子信息材料与器件教育部工程研究中心平台支持；国家自然科学基金委，科技部和广西科技厅的支持。

图1.S-PAM水凝胶的制备与表征 A.S-PAM制备流程；B.PAM水凝胶电镜图；C.S-PAM水凝胶电镜图；D.Starch、PAM、S-PAM红外光谱；E.Starch、PAM、S-PAM拉曼光谱; F.S-PAM拉曼mapping图像。

图2.水电联产模型示意图 A.界面蒸发示意图；B.热电器件示意图；C.水电联产模型及微能量获取示意图。