第一作者：陈玉
通讯作者：唐少春
通讯单位：南京大学
发表期刊：Advanced Energy Materials
受自然界“荷叶蒸腾作用”启发，南京大学唐少春教授团队设计研制出一种仿生光热界面蒸发协同定向热扩散效应的高性能水伏发电器件（IEHVG），实现了海水高效持续水伏发电和淡水同步收集。这种新型IEHVG不仅设计模仿了荷叶的蒸腾过程，而且拥有特定T形水传输路径、定向垂直的孔通道、高表面电荷和梯度疏水蒸发界面。实验和理论模拟表明，这种新型仿生器件打破了传统太阳能驱动界面蒸发式水伏发电在热扩散效应向下和水合离子流动电势向上之间的矛盾。基于IEHVG单元设计集成的淡水-电力联产系统，针对海水光热界面蒸发达到了破纪录的105 V超高输出电压和高达2.0 L m-2 h-1的淡水收集率。这项研究为海上工作平台直接利用海水获取按需电源的接入及持续淡水收集提供了一种新途径。该研究成果近日以“Achieving Ultrahigh Voltage over 100 V and Remarkable Freshwater Harvesting based on Thermodiffusion Enhanced Hydrovoltaic Generator”为题在线发表在国际知名期刊Advanced Energy Materials上(Adv. Energy Mater., 2024, 2400529, DOI: 10.1002/aenm.202400529)。南京大学为唯一通讯单位，南京大学现代工程与应用科学学院在读博士研究生陈玉为论文第一作者，南京大学唐少春教授为该论文的通讯作者。
近年来，基于水流、水波、水滴、水蒸汽等驱动的能量转换研究引起了国际广泛关注，其中利用水分子汽化过程中质量和热量传递的水蒸发发电，因具有自发性强、成本低等独特优势在大规模应用替代传统发电方面潜力巨大。研究发现，当水分子穿过由表面带电材料形成的狭窄毛细通道时，在通道壁的双电层（EDL）内会引发离子运动，从而产生电势和电流。然而，基于带电材料的水蒸发发电研究报道仅限于淡水，且环境热量补充缓慢使水汽化效率和蒸汽流速受限，从而制约了水伏发电器件的输出功率。
太阳能光热驱动通过在空气-液体界面局部集热快速升温，在提高水蒸发和蒸汽流速方面更具优势，能够拓展到海水、生活和工业废水，是一种绿色清洁可持续的发电策略。因此，太阳能界面蒸发驱动的水伏发电技术，有望从海洋中收集水蒸气的同时捕获水分子汽化过程中流动势能，从而实现海水水伏发电和淡水收集。在太阳能驱动界面蒸发器中，光热转换发生在蒸发器的顶层表面，在加热过程驱动蒸发器内部的水流向上运动，同时使得顶层的局部热量向下方低温处扩散；流动电势基于双电层效应要求离子运动方向与水流方向相同，进而通过电荷分离在蒸发器两端产生稳定的电势差。因此，传统太阳能蒸发器在界面加热过程中产生热扩散效应诱导水合离子、盐离子向流动电势相反的方向运动，这一冲突导致水伏发电器件的电势降低。特别是，水伏发电器件的集成和系统放大复杂，难以获得满足应用需求的高输出电压。
针对以上问题，唐少春教授团队受自然界“荷叶蒸腾作用”的启发，设计制备了一种仿生界面蒸发驱动协同热扩散效应的水伏发电器件（IEHVG）。该器件易于放大集成，基于外部参数耦合的优化将器件集成，能够实现超过100 V的超高电压输出和针对海水的2.0 L m-2 h-1高淡水产率。由于定向垂直的液体传输通道、高表面电荷和梯度疏水蒸发界面，单个器件在1 kW m-2模拟光照下达到45.6 μW cm-2的功率密度。特别是，能够按电压需求对器件进行集成，直接驱动电子设备或为商用超级电容器充电。因此，该研究为近海工作平台高压电源接入及持续淡水收集提供了一种新途径，能够利用海水持续获得稀缺的淡水和按需电能。
图1. IEHVG在太阳光照下持续输出电能和收集淡水的工作机理示意图。
为了打破流动电势向上和热扩散效应向下的矛盾，该研究通过仿生荷叶茎叶结构设计了具有特定T形水传输路径的IEHVG，图1为IEHVG的结构设计和工作机理示意图。仿生荷叶结构和分层设计，利用协同热扩散效应增强水合离子和盐离子的流动，使IEHVG具有出色水传输、光热转换和电输出能力。通过横向上安置电极在蒸发器的叶片两端形成流动电势场，诱导盐离子和水合离子从蒸发器的中间向两侧横向扩散；同时，在顶层的蒸发界面设计了由中间向两侧递减的梯度疏水涂层，在光照下可形成由中间向两侧递减的温度梯度场和横向的热扩散效应。因此，通过结构设计同时形成了横向水流驱动的离子扩散和横向热扩散效应驱动的离子扩散，由于两种离子扩散方向相同，导致IEHVG的发电性能显著增强。
图2. IEHVG的结构设计及表征。（A）IEHVG 照片和分层功能化示意图；（B）XPS Si 2p光谱；（C, D）底层和中间层的截面SEM图；（E）GQDs/MXene光热材料的TEM图；（F）Raman图谱；（G）IEHVG内部的水传输路径；（H）Zeta电位图谱。
IEHVG的设计思路来自于荷叶的蒸腾过程，通过定制分层功能化水凝胶来模拟荷叶的茎-叶结构，如图2A所示。底层（莲茎）是壳聚糖/羧甲基纤维素水凝胶，为海水定向快速传输提供定向规则的孔通道（图2C-D）；中间层是石墨烯量子点/MXene纳米复合材料（图2E），具有优异的电化学活性和丰富的表面电荷（图2H），提供光热效应和及蒸发发电；顶层（荷叶）是透明的十八烷基三氯硅烷梯度疏水涂层，在太阳光照下不仅产生定向温度梯度，而且防止盐离子结晶，在获得高产淡水的同时确保稳定持续发电。
图3. IEHVG 的发电性能和蒸发稳定性分析。（A）IEHVG的 I-V曲线，（B）Voc, Isc,和功率密度测试，和（C）工作机制示意图。（D）切换左右电极后IEHVG的Voc响应曲线。IEHVG在海水中连续工作 100 h的（E）水蒸发速率和Voc，（F）光学照片。（G）IEHVG 抗盐机理解释。（H）不同电阻下IEHVG的功率密度和Voc值。（I）IEHVG与已报道的各种 HVGs的Voc和功率密度性能比较。
将IEHVG浸入人工海水中，在AM 1.5G辐照下测量了其电输出和水蒸发性能。I-V曲线表明IEHVG器件的开路电压（Voc）为0.8 V，短路电流（Isc）为46.0 µA，功率密度为45.6 µW cm-2。在连续100小时的持久海水蒸发实验中，IEHVG始终维持2.4 kg m-2 h-1的水蒸发速率和0.8 V的稳定Voc输出。相应的光学照片表明IEHVG的表面梯度疏水设计具有优异的抗盐特性，在海水持续蒸发过程中使其免受盐结晶问题的干扰。与已报道的各种HVGs相比（见图3i所示），IEHVG的功率密度输出具有明显优势，加上在海水中稳定工作的特点使其在海上工作平台进行淡水-电能联合生产具有极大的潜力。
图4. IEHVG在（A）不同太阳辐照强度下,（B）不同温度海水中，和（C）不同溶液中的发电性能；（D）IEHVG的CV曲线；通过调整IEHVG中（E）电极接触面积和（F）电极相对位置的功率密度变化。
图5.（A）IEHVG中产生流动电势效应的示意图。IEHVG和对照样IENG的（B1）温度分布，(B2) 离子对流和（C）离子浓度分布的数值模拟。光照前后IEHVG和IENG的（D）Voc和（E）Isc 曲线。（F）IEHVG中不同模式参与发电贡献的数值统计。（G）串联/并联4个IEHVG单元的电压/电流输出。（H）IEHVG 集成供电系统照片点亮电子设备。（I）IEHVG为商用电容器充电的实时电压变化。
基于上述观察结果，IEHVG的发电性能主要来自于电极间的体积电位差。在海水汽化过程中，大量离子（如H3O+、Na+）被解离，随后被吸附到 MXene/GQDs表面形成双电层。在顶层热扩散效应的驱动下，阳离子迁移速度加快，在电极两端形成高浓度差和强流动电位。因此提高光照强度，水温和离子浓度能增强流动电势效应以扩大电极两端的电位差，进而提高电输出。COMSOL理论模拟进一步验证了IEHVG发电性能的增强来源于顶层的梯度疏水设计和光照下的协同热扩散效应。因此，IEHVG 展示了一种独特的界面蒸发发电机制，它由横向稳定离子扩散驱动，不受界面热扩散和流动电势在纵向的对流矛盾限制，这使得IEHVG可以轻松集成以通过串联增压/并联增流的方式扩大电输出。
图6. IEHVG的森林式集成和规模化应用。（A）示意图和（B）室外实验的光学照片。（C）在白天自然太阳光辐照下，淡水-电能联产装置的光照强度和Voc实时变化曲线。（D）淡水-电能联产装置在水凝结收集阶段的光学照片。（E）海水处理前后水中离子浓度的变化。
利用IEHVG的可扩展性潜力，可以灵活设计和集成大型的户外淡水-电力联产系统。团队将192个IEHVG器件通过森林式集成构建了有效界面蒸发面积约为2000 cm2的水电联产系统，其包括光热海水蒸发部分、淡水冷凝和收集部分、盐晶体收集部分以及电输出检测和利用部分，如图6A所示。
当这一集成式水电联产系统在户外实际应用时，光热层将太阳辐射转化为热量，推动界面水蒸气生成，并产生流动电势和电输出。当太阳辐照达到峰值（～75 mW cm-2）时，获得了约105.6 V的超高Voc和约为2.0 L m-2 h-1淡水生产速率。测试从海水中收集到的淡水，发现对钠、镁、铝和钙等主要盐离子的净化率接近 100%，符合世界安全水标准（图6E）。由于简单易集成的特点，该研究对于未来社会稀缺的淡水-电能获取提供了可供选择的方案。
综上所述，通过设计模仿荷叶的蒸腾过程及荷叶的茎叶结构，成功研制出了一种易扩展的界面蒸发式水伏发电器件，能够同时从海水中产生高效的水蒸气和电能。该装置通过分层功能化设计提高了功率输出传统太阳能驱动界面蒸发式水伏发电在热扩散效应向下和水合离子流动电势向上之间的矛盾。在此基础上，通过多参数耦合优化获得的最佳参数，IEHVG在海水中的淡水产量达到2.4 kg m-2 h-1，输出功率密度达到45.6 μW cm-2。基于IEHVG单元设计集成的淡水-电力联产系统，海水蒸发达到了破纪录的105 V超高输出电压和高达2.0 L m-2 h-1的淡水收集率。该研究工作通过协同利用太阳辐射加热和水蒸发冷凝，实现了海水高效持续水伏发电和淡水同步收集，为海上工作平台高压电源接入及持续淡水收集提供了一种新途径，有望同时解决未来社会的水资源和能源危机的问题。
该研究工作是唐少春教授团队在太阳能光热界面水伏发电领域取得的最新进展。固体微结构物理国家重点实验室、南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室为该项工作的顺利开展提供了重要支持。该项工作得到了国家重点研发计划项目，国家自然科学基金项目，江苏省重点研发计划项目，江苏省碳峰碳中和科技创新专项基金项目资助。
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.
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