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  淡水短缺是社會發(fā)展面臨的一個日益嚴峻的挑戰(zhàn)。太陽光驅(qū)動蒸發(fā)是利用太陽能作為光源，它作為蒸發(fā)器將太陽能轉(zhuǎn)化為熱量，以產(chǎn)生蒸汽，是從海水和廢水中提取潔凈水的一種最有前途的技術(shù)。為了達到高的水蒸發(fā)率和太陽熱轉(zhuǎn)換效率，理想的材料應(yīng)該具有廣泛的光吸收、低熱導(dǎo)率和有效的水運輸。而能量轉(zhuǎn)換通常是以多種形式進行的，如果能將界面產(chǎn)生的余熱再次利用可實現(xiàn)更高的能量利用率。

  近日，華中科技大學(xué)牛冉研究員/瞿金平院士團隊成功地制備了一種二氧化錳基柔性膜用于太陽光驅(qū)動的產(chǎn)水和產(chǎn)電結(jié)合（圖1），其中帶有氧空位缺陷的納米二氧化錳實現(xiàn)高效的吸光和光熱轉(zhuǎn)化（圖2），同時超親水纖維膜快速的水傳輸實現(xiàn)連續(xù)水蒸發(fā)。作為太陽能吸收體，MnO₂基纖維膜在1 kW m^-2太陽照射下的產(chǎn)汽率高達2.24 kg m^-2 h^-1 (圖3)，與熱電模塊組裝的產(chǎn)電裝置產(chǎn)電功率達到0.6 W m^-2（圖4）。在戶外實驗中，連續(xù)24 h的累計產(chǎn)水量達到5.5 kg m^-2，幾個熱電裝置串聯(lián)可以供一個小風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)或者點亮LED屏幕（圖5）。該工作有望解決邊遠地方飲用水和電缺乏的問題。相關(guān)工作以“Simultaneous Solar-driven Steam and Electricity Generation by Cost-effective, Easy-scale up MnO₂-based Flexible Membrane”發(fā)表在Energy & Environmental Materials（中科院1區(qū)，影響因子15.112）。

圖4 二氧化錳基太陽能蒸汽發(fā)生器的熱電轉(zhuǎn)化性能。MCx與熱電模塊組裝的雜化裝置在一個太陽光下可達到165 mV的電壓，且能在不同水質(zhì)中長時間工作。 

  MCx太陽能下處理水能力。海水經(jīng)過該太陽能水蒸發(fā)淡化系統(tǒng)，離子濃度(Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺)顯著降低了4個數(shù)量級, 達到世界衛(wèi)生飲用水標準。除此之外，MCx具有良好的抗鹽析和鹽溶解性能，可用于鹽水的凈化。以甲基橙為代表的污染物凈化后收集水的凈化效率可達99.9%，再次證明了基于MCx光熱發(fā)生器在廢水處理方面的潛力。

  論文第一作者為華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院2021級碩士研究生任佳欣，論文通訊作者為華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院牛冉研究員和龔江研究員，論文作者還包括瞿金平院士，以及2020級碩士研究生丁洋。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)項目以及華中科技大學(xué)人才引進啟動基金的資助。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12376

作者簡介：

  牛冉，華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域為微納馬達和新能源材料。目前以第一或通訊作者在PRL、PNAS、Sci. Adv.、ACS Nano、Small、Energy Environ. Mater.、Chem. Eng. J.等具有重要影響力的國際刊物上發(fā)表SCI論文40余篇，主持承擔國家自然科學(xué)基金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等多項榮譽獎勵。