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瞿金平院士華科大團(tuán)隊(duì) JMCA：規(guī)；a(chǎn)可生物降解的多孔泡沫-用于同時(shí)進(jìn)行光熱水蒸發(fā)和熱電
2023-12-07  來源：高分子科技

  水資源短缺和能源危機(jī)是威脅人類社會(huì)發(fā)展的兩個(gè)關(guān)鍵問題。將利用太陽能的界面光熱水蒸發(fā)與熱電（TE）模塊相結(jié)合是解決上述問題的最佳方案之一。到目前為止，人們?cè)谥苽湎冗M(jìn)的光熱材料和設(shè)計(jì)新型蒸發(fā)裝置上做出了巨大的努力。然而，之前開發(fā)的方法或者依賴有毒化學(xué)制劑，或者需要昂貴的高能耗設(shè)備，無法實(shí)現(xiàn)光熱材料的連續(xù)制造，這極大地限制了其大規(guī)模化生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。此外，傳統(tǒng)方法制造出的蒸發(fā)器無法生物降解，可能會(huì)在海洋中生成白色污染物和微塑料，這對(duì)環(huán)境并不友好。因此，如何實(shí)現(xiàn)具有生物可降解能力的太陽能蒸發(fā)器的低成本、規(guī)；苽渲陵P(guān)重要。


  近日，華中科技大學(xué)瞿金平院士/牛冉研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種熔融共混和表面涂覆相結(jié)合的方式構(gòu)建三維可生物降解泡沫，用于有效的太陽能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)和熱電聯(lián)產(chǎn)（圖1）。將高含量蔗糖（80%）與聚羥基脂肪酸酯（PHA）在拉伸流場(chǎng)主導(dǎo)的擠出機(jī)中共混，之后將蔗糖顆粒提取，得到多孔PHA泡沫，并通過在表面涂覆大量粒狀黑色/親水納米顆粒（BHNPs）制成的光熱涂層。獲得的三維蒸發(fā)器具有多孔結(jié)構(gòu)和超親水性，可確保蒸發(fā)過程中充足的供水（圖2），PHA-6泡沫在1 kW m-2太陽照射下表面溫度最高可達(dá)到70.1℃（圖3），此外，增加三維蒸發(fā)器的高度也可以提高光熱轉(zhuǎn)換能力和蒸發(fā)效率，其中在1 kW m-2太陽照射下的蒸汽產(chǎn)率高達(dá)4.33 kg m-2h-1（圖4），同時(shí)具有多場(chǎng)景、長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用的能力（圖5）。與熱電模塊組裝成的產(chǎn)電裝置產(chǎn)電功率在1 kW m-2太陽照射下達(dá)到0.8W m-2（圖6）。在戶外實(shí)驗(yàn)中，連續(xù)12 h的累計(jì)產(chǎn)水量達(dá)到4.24 kg m-2；幾個(gè)熱電裝置串聯(lián)可以為電風(fēng)扇、計(jì)算器和計(jì)時(shí)器等小型設(shè)備供電（圖7）。使用后，PHA-x泡沫在2%的堿性溶液中可以快速降解（圖8）。該工作有望解決偏遠(yuǎn)地區(qū)飲用水和電缺乏的問題。 


圖1 PHA-x 泡沫制備示意圖


圖2 (a和b）PHA-0和PHA-6泡沫的光學(xué)圖像（第一列）和掃描電鏡圖像（第二至第四列）。(c) PHA-6泡沫站在樹葉上和受到 200 g砝碼拉伸的照片。(d) PHA-6在三個(gè)壓縮-釋放循環(huán)中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖：不同應(yīng)變下的樣品照片。(e) 將 PHA-6和PHA-0的底部浸入水中時(shí)，泵水高度與時(shí)間的關(guān)系。插圖為樣品照片。(f) PHA-6和PHA-0 泡沫的水接觸角 


圖3 (a) PHA-6和PHA-0在太陽光譜范圍內(nèi)的光吸收率。(b) PHA-6和PHA-0 在太陽光照射下的表面溫度曲線和 (c) 相應(yīng)的紅外圖像 


圖4 (a) 太陽能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)裝置方案。(b) PHA-x蒸發(fā)器在1 kW m-2 光照下水的質(zhì)量損失。(c) PHA-x在1 kW m-2光照下的蒸發(fā)速率和相應(yīng)的太陽能蒸發(fā)效率。(d) PHA-x在黑暗中的水質(zhì)量損失和相應(yīng)的蒸發(fā)晗。(e) 不同高度的 PHA-6 蒸發(fā)器在 1 kW m-2光照下水的質(zhì)量變損失。插圖為不同高度PHA-6蒸發(fā)器的照片。(f)不同高度的PHA-6蒸發(fā)器在1 kW m-2光照下的表面溫度曲線。(g) 陽光照射下高度為 1、2和3厘米的PHA-6蒸發(fā)器的紅外圖像。(h) COMSOL仿真顯示不同高度（1、2和3厘米）PHA-6的溫度分布 


圖5高度為3厘米的PHA-6在 (a) 各種水源和 (b) 一系列模擬鹽水中的蒸發(fā)率。(c) 海水和蒸發(fā)后冷凝水中金屬離子濃度的比較。(d) MB和RhB溶液以及蒸發(fā)后冷凝水的紫外-可見吸收曲線。插圖為相應(yīng)水的照片。高度為3厘米的 PHA-6蒸發(fā)器在 (e) 10次光照開關(guān)周期和 (f) 連續(xù)照射5 h的水質(zhì)量變化。插圖：PHA-6蒸發(fā)器上方形成的水蒸氣照片。(g) PHA-6蒸發(fā)器（高度為3厘米）在不同太陽強(qiáng)度下的水重量損失。(h) 顯示PHA-6表面在黑暗中鹽溶解過程的照片。(i) 海水蒸發(fā)11小時(shí)前后PHA-6的照片 


圖6 (a) 有（底部）和沒有（頂部）PHA-6泡沫的TE設(shè)備照片。(b) PHA-6在不同太陽照射強(qiáng)度下的開路電壓和表面溫差。(d) PHA-6在1個(gè)太陽照射下的電壓和溫度變化。(e) 電流與電壓關(guān)系圖和 (f) 不同太陽輻照強(qiáng)度下的最大功率密度。(g) 在1 kW m-2光照下，混合裝置在各種水源中的開路電壓。(h) 在不同的下表面溫度下產(chǎn)生的開路電壓。(i) PHA-6和其他報(bào)道的太陽能蒸發(fā)器在1kW m-2光照下的蒸發(fā)和發(fā)電性能圖。 


圖7 (a) 室外環(huán)境中用于太陽能蒸發(fā)的裝置方案。(b) 自制裝置的照片。(c) 顯示在冷凝器上積聚水滴的照片。(d) 溫度和太陽光照強(qiáng)度的變化; (e) 出水量和海水淡化量的變化。(f) 連續(xù)三天的產(chǎn)水量。(g) 室外環(huán)境中用于熱電發(fā)電的方案和裝置。(h) 開路電壓與時(shí)間的關(guān)系。注意:風(fēng)使電壓波動(dòng)。(i) 顯示由八個(gè)串聯(lián)熱電模塊供電的小風(fēng)扇或LED顯示屏的照片 


圖8 (a) PHA-6在不同濃度NaOH溶液中的重量損失率與時(shí)間的關(guān)系。PHA-6 泡沫在 2% NaOH 溶液中(b)降解前和降解后 (c) 第1天、(d) 第5天和 (e) 第9天的SEM圖像。插圖為樣品的相應(yīng)照片


  該工作以Mass production of biodegradable porous foam for simultaneous solar evaporation and thermoelectricity generation發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（影響因子11.9）。論文第一作者為湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2021級(jí)聯(lián)培碩士劉志鵬，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和博士研究生李小龍。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、華南理工大學(xué)廣東省高分子先進(jìn)制造技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目以及新能源化學(xué)與器件創(chuàng)新人才引智基地的資助。


  原文鏈接: https://doi.org/10.1039/D3TA06133G


通訊作者簡(jiǎn)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?yàn)槲⒓{馬達(dá)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(guó)際刊物上發(fā)表SCI論文60余篇，獲授權(quán)專利5項(xiàng)，申請(qǐng)專利7項(xiàng)。主持承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題等國(guó)家和省部級(jí)科技項(xiàng)目多項(xiàng)，并獲得湖北省海外高層次人才計(jì)劃、武漢英才等多項(xiàng)榮譽(yù)獎(jiǎng)勵(lì)。擔(dān)任Rare Metals期刊 (中科院1區(qū)，影響因子6.3), Exploration和Energy Materials期刊青年編委。

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