第一作者：穆晓江
通讯作者：苗蕾教授 、Takao Mori教授
通讯单位：桂林电子科技大学、国立物质材料研究机构
论文DOI：10.1039/D2EE01394K
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随着全球能源绿色转型的不断推进，能源结构也逐渐出现了新的分支。水电联产是一种耦合了净水与发电技术的新兴领域，分布式的产能特点有望解决庞大的能源缺口，但是“水电兼容性”的差异将会导致水、电输出阶级化，尤其是长期净化海水和污水过程中，盐晶体的析出积累不仅会降低净水效率，而且也会影响发电模块的工作过程，同时低效的能量管理不利于提升能量有效性，从而抑制了能量密集型联产系统的性能提升。桂林电子科技大学苗蕾教授与日本国立物质材料研究机构Takao Mori教授合作，成功制备了一种拥有羟基修饰层的S-PAM蒸发器，不仅对高浓度盐水有很好的脱盐效果，而且对于富含金属离子以及重金属离子的污水也展现出了理想的净化效果。基于此蒸发器进一步设计了一种兼容性高、能量利用高效的热电-净水联产模型。该模型着眼于微能量获取以提高整体能量利用率，消除了太阳能吸收体与蒸发器传导热损失，提高了模型长期的吸收稳定性，通过理论模拟和能量计算，优化了热传输通道，增加了冷端废热的利用程度，引入了环境能量，利用蒸发潜热提升了模型的电输出性能。该模型的供水方式采用喷淋式，消除了从蒸发器到水体的传导热损失，产生了更高的电输出增益。基于扫描电镜、红外光谱以及拉曼光谱确定了羟基层的成功修饰。测试表明SP3型联产模型获得了优异的水电输出性能，特别是热电模块的最大功率密度达到了11.39 W m-2，相比于文献数值产生了数量级式的提升。搭建的户外水电联产设备在连续8小时的自然太阳光照射下，该设备获得了0.92 kg m-2的收集速率和3.96 V的最大输出电压。
背景介绍
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跟不上需求，水-电供需关系成为了可持续发展历程中至关重要的一个环节。水电联产系统通过将净水和发电技术相耦合，同时产生纯净水和电能，可以有效填补资源缺口，但长期性的脱盐问题和松散的能量管理结构滋生了两者的兼容性问题。基于此课题组通过大分子羟基层修饰，改善了聚合物链与水分子的相互作用，增强了蒸发器的鲁棒性，优化了能流路径，捕获了系统中的微能量，提高了“水电兼容性”，对推动水电联产系统的实际应用具有重要意义。
亮点解析
研究亮点1. 通过自由基聚合的方法制备了由聚丙烯酰胺为基本骨架大分子羟基层修饰的S-PAM水凝胶。聚丙烯酰胺水凝胶中拥有大量的氨基，当与水接触时能够快速捕获水分子，独特的3D多孔结构可以为水分提供宽阔的存储场所。因此在本研究中将聚丙烯酰胺用作基本骨架。可溶性淀粉中含有大量的羟基，将其修饰于聚丙烯酰胺水凝胶壁上，改善了聚合物链与水分子之间的相互作用，可以明显提升凝胶的鲁棒性和吸水速度。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，即使处理高浓度的盐水（10 wt%氯化钠溶液），也具有优秀的长期稳定性，对富含金属离子和重金属离子的污水都展现出很好的净化效果，产出的纯净水能够满足世界健康组织直饮水的标准，扫描电镜图像显示了S-PAM大分子羟基层修饰前后的微观形貌，红外光谱表明了凝胶中的亲水基团，拉曼mapping确定了淀粉在凝胶中无局部团聚现象。
图1. S-PAM蒸发器制备表征示意图
图2. 脱盐、处理污水性能表征
研究亮点2. 通过结构设计，将该蒸发器与热电片耦合成一种新型的水电联产模型，热电片的热端被高吸收率低发射率的蓝膜覆盖，作为主要能量的输入端，蒸发器置于热电片的冷端，可以利用此处的废热产生蒸汽，由于S-PAM凝胶蒸发器内部能够存储充足的水分，因此，可以保证联产器持续的净水能力，蒸汽测试表明SPL联产模型的蒸发速率相较于对照组增加了95.08%。同时水相变的潜热可以降低热电片冷端的温度，通过水蒸发产生一个电压增益（即：蒸发电压），电压测试表明SPL联产模型的输出性能约为对照组的9倍。通过进一步优化热传输通道，设计了三种不同的水电联产模型（SP1、SP2、SP3型），由于提高了冷端废热的利用程度和环境能量的引入，SP3水电联产模型的蒸发和电输出性能相较于SPL模型，分别增加了50.42%和16.67%。该系统采用喷淋式的供水方式，不仅消除了界面蒸发中从蒸发器到水体的传导热损失，而且还解决了长期使用的结盐问题。此外，在喷淋供水时，冷端发生热交换，产生了更高的电压增益（喷淋电压），SP3联产模型的最大输出功率密度可以达到11.39 W m-2。
图3. 优化传热通道
图4. 水电联产性能
图5. 户外联产设备测试
总结与展望
综上所述，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，对于高浓度盐水以及富含金属离子和重金属离子的污水都展现出了很好的净化效果，产出的纯净水能够满足世界健康组织直饮水的标准。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1.79 kg m-2 h-1的蒸发速率和11.39 W m-2的最大输出功率密度。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0.92 kg m-2的纯水收集率和3.96 V的最大输出电压。该研究优化了能流路径，增加了“水电兼容性”，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。
作者介绍
苗蕾教授简介：桂林电子科技大学教授，兼日本精细陶瓷研究中心材料技术研究所客座研究员。长期从事能源材料中的热电转换和气凝胶材料的创新合成及其在可再生能源和节能领域的应用研究。主持国内外包括国家自然科学基金、科技部重点研发计划等多项研究项目，发表SCI论文230余篇，代表性研究发表在材料及能源类Energy Environ. Sci., Adv. Energy. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等国际学术期刊，他引5000余次，H 因子45。申请发明专利60件，授权35件，转化2件。
Takao Mori教授简介：国立物质材料研究所首席研究员及组长，兼筑波大学研究生院教授。当选为国际热电学会(ITS)理事会成员，亚洲热电学会(AAT)前主席。担任Materials Today Physics期刊高级编辑，JST Mirai大型项目经理，主要研究方向为热电材料的开发及无机材料的增强原理、合成与性能，发表论文300余篇，撰写章节书25册，申请专利35件。
周建华副教授简介：桂林电子科技大学副教授，广西杰出青年基金获得者。致力于水凝胶、气凝胶材料及其能源环境领域应用研究。发表SCI论文100余篇，H因子26。
穆晓江博士简介：桂林电子科技大学博士研究生，主要从事水凝胶、气凝胶材料及其能源环境领域应用研究。发表SCI论文10余篇。
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