【Advanced Science】武汉纺织大学【核壳结构光热复合材料:一体化太阳能驱动的非饮用水净化与热电联产】
想收听这篇文章的博客版本吗？点击这里就能开启收听啦～一、研究背景与核心目标
- 全球挑战：人口增长与工业化导致的淡水短缺和能源危机，太阳能界面蒸发与热电技术结合是潜在解决方案
- 关键瓶颈：2D 蒸发器热电温差大但蒸发性能差，3D 蒸发器蒸发效率高但热电输出受限，且 TE 模块嵌入易破坏蒸发器结构、导致冷端积热
- 研究目标：开发兼具优异蒸发性能、净水能力与灵活热电模块布局的一体化系统，解决性能权衡问题
二、材料制备与结构表征
（1）核心材料组成
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| | 自漂浮、隔热（导热系数 0.044 W m⁻¹K⁻¹）、超弹性 |
| 黑色素纳米颗粒（MNPs）+ 环氧树脂 + Triton™ X-100 | 光吸收（250-2500 nm 范围吸收率 96%）、超亲水（水接触角～0°）、水传输 |
（2）制备方法
- 第一步：通过 TEOS、MTMS、DMDMS 的水解缩合反应，制备不同尺寸的疏水硅海绵（HSS）
- 第二步：将含 MNPs、Triton™ X-100 和环氧树脂的溶液喷涂于 HSS 表面，形成核壳结构 HSS@MNPs
（3）结构特性
- HSS：白色多孔（平均孔径 17 nm）、热稳定性好（350℃以下无明显失重）、疏水（接触角 140.9±1.7°）
- HSS@MNPs：黑色、表面粗糙、内部结构未变，兼具隔热、自漂浮、高光吸收与快速水传输能力
三、核心性能测试
（1）净水性能
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| | 离子浓度降至 0.52-8.8 μg L⁻¹，去除率 > 99.9% |
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（2）蒸发性能
- 核心机制：MNPs 与 Triton™ X-100 的亲水基团形成氢键，增加中间水比例（IW:FW=1.64:1），降低蒸发焓（1445.73 J g⁻¹，低于纯水 2360.57 J g⁻¹）
- 高度影响：蒸发率随高度先升后降，3 cm 高蒸发器（HSS@MNPs-3）最优，达 3.31 kg m⁻²h⁻¹
- 稳定性：连续 3 天浸泡废液后，蒸发性能无显著下降
（3）热电性能
- 模块位置影响：TE 模块距 HSS@MNPs-3 顶部 0.5 cm 时性能最优，输出电压 61.8 mV、电流 10.8 mA
- 环境适应性：16℃低温环境下，最大输出电压 141.2 mV、电流 25.1 mA，优于常温条件
四、关键影响因素分析
蒸发器高度
- 对蒸发：过低（0.5 cm）导致热传导损失大，过高（4 cm）导致水传输缓慢，3 cm 为最优高度
- 对热电：高度与输出电压 / 电流呈负相关，0.5 cm 时输出电压 37 mV，4 cm 时仅 7.7 mV
TE 模块位置
- 靠近光热界面：热端温度显著升高，冷端温度稳定（与空气接触散热），温差扩大，热电性能大幅提升
五、应用验证
- 室内测试：1 个太阳辐照下，蒸发率 3.08-3.17 kg m⁻²h⁻¹，热电输出 135.4-144.6 mV，循环测试稳定性良好
- 室外测试：连续 3 天（9:00-16:00）运行，平均蒸发率 1.49-1.62 kg m⁻²h⁻¹，输出电压 37-103 mV，串联模块可点亮 LED
图解
图 1 所提出的核壳结构 HSS@MNPs 的制备示意图图 2 所制备疏水硅海绵（HSS）的实物照片（a）、扫描电子显微镜（SEM）图像（b）、X 射线光电子能谱（XPS）图（c、d）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）图（e）及疏水性测试结果（f）图 3 （a）黑色素纳米颗粒（MNPs）的透射电子显微镜（TEM）图像；（b）所制备核壳结构 HSS@MNPs 的截面照片；（c）核壳结构 HSS@MNPs 的壳层扫描电子显微镜（SEM）图像、（d）核层扫描电子显微镜（SEM）图像及对应的水接触角测试图；（e）疏水硅海绵（HSS）与核壳结构 HSS@MNPs 的紫外 - 可见 - 近红外（UV–vis–NIR）吸收光谱；（f）对应的红外热成像图。图 4 （a）纯水与核壳结构 HSS@MNPs 的蒸发焓；（b）HSS@MNPs 壳层可水合聚合物网络中的水分示意图；（c）HSS@MNPs 中不同水分状态的拉曼光谱表征；（d）太阳能蒸汽发电净水示意图；（e）酸性溶液与碱性溶液净化前后的 pH 值对比；（f）甲基蓝染料废水净化前后的紫外吸收光谱及实物照片；（g）重金属废水净化前后的离子浓度；（h）以 HSS@MNPs 为蒸发器时，3.5 重量百分比氯化钠溶液的质量随时间变化曲线；（i）3.5 重量百分比氯化钠溶液净化前后的钠离子浓度，以及去离子水中的钠离子含量。图 5 （a）不同高度的核壳结构 HSS@MNPs 作为蒸发器时，纯水的蒸发速率；（b）不同蒸发器的表面温度变化曲线；（c）不同蒸发器底部水体的温度变化曲线；（d）不同蒸发器的输水能力对比及表面水分分布光学图像；（e）太阳能蒸发器的供水与界面加热示意图；（f）不同蒸发器在蒸发过程中的各类能量损失。图 6 （a）塞贝克效应的热电发电机理；（b）电压、（c）电流及（d）功率密度 —— 热电（TE）模块置于不同蒸发器底部时的输出特性；（e）HSS@MNPs-3 中热电模块的位置调节示意图；（f）热电模块在 HSS@MNPs-3 内不同位置时的最大输出电压与电流；（g）不同测试环境下，热电模块冷端距 HSS@MNPs-3 顶部约 0.5 cm 时的最大输出电压与电流；（h）长期稳定性测试结果。图 7 （a）实际场景下的室外测试装置实物照片；（b）测试期间的光强与环境温度变化曲线；（c）水体质量变化；（d）测试过程中热电（TE）模块的输出电压；（e）热电（TE）模块供电前后的发光二极管（LED）状态。原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.20252345
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