太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)技術(shù)在海水淡化中具有很大的優(yōu)勢。然而，在太陽能蒸發(fā)器的長期運(yùn)行過程中，鹽可能沉積在太陽能吸收表面上，這反過來又阻礙了蒸發(fā)過程。因此，迫切需要提出新的反鹽策略來解決這一問題。在這里，本研究提出了一種新的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，利用耐鹽、異質(zhì)Janus結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器（FHJE）同時(shí)進(jìn)行太陽能脫鹽和熱電發(fā)電。頂部蒸發(fā)層由預(yù)先嵌入Fe
3+陽離子的石墨烯基光熱膜組成，增強(qiáng)了太陽能吸收和能量轉(zhuǎn)換能力。同時(shí)，F(xiàn)e
3+陽離子進(jìn)一步促進(jìn)了Donnan效應(yīng)，有效地排斥了鹽水中的鹽離子。底層包括由親水性植酸（PA）和聚乙烯醇（PVA）組成的水凝膠，有助于促進(jìn)水的傳輸。FHJE在10 wt%的鹽水中表現(xiàn)出高達(dá)3.655 kg m
-2 h
-1和94.7%的蒸發(fā)速率和效率，并且在連續(xù)蒸發(fā)8 h（15 wt%）后表現(xiàn)出優(yōu)異的耐鹽能力而不會積聚鹽。此外，還構(gòu)建了一個(gè)水電熱電聯(lián)產(chǎn)蒸發(fā)器裝置，該裝置在1個(gè)太陽下的開路電壓（VOC）和最大輸出功率密度分別高達(dá)143 mV和1.33 W m
-2。本研究有望為太陽能的綜合利用提供新的思路。
圖1.（a）Fe
3+@GOM和（b）PVA/PA水凝膠的制備說明。
圖2.（a，b）FHJE的光學(xué)圖像。（c） Fe
3+@GOM層的截面SEM圖像。（d） PVA/PA水凝膠的SEM。（e） PVA和水凝膠的FT-IR光譜。
圖3.（a） 水凝膠的接觸角。（b） FHJE的陽光吸收特性。（c） 蒸發(fā)器的導(dǎo)熱系數(shù)。（d） 蒸發(fā)器表面和大量水的溫度。（e） FHJE在連續(xù)光照和蒸發(fā)過程下的表面溫度。
圖4.（a） FHJE高效抗鹽機(jī)理研究。（b） 通過Fe
3+@GOM的Donnan效應(yīng)說明有效抗鹽機(jī)制。
圖5.（a） 蒸發(fā)器在不同鹽水中的蒸發(fā)率。（b） FHJE的太陽能蒸發(fā)性能和先前報(bào)道的參考文獻(xiàn)的比較。（c） 黑暗中的水分蒸發(fā)率和不同水樣的蒸發(fā)焓。（d） FHJE的長期循環(huán)試驗(yàn)。（e） 脫鹽前后不同鹽度鹽水的TDS。（f） 真實(shí)海水中離子濃度的變化。（g） 耐鹽性試驗(yàn)。
圖6.（a） 熱電轉(zhuǎn)換模型的結(jié)構(gòu)示意圖。（b） FHJE在1、2和3個(gè)太陽下的表面溫度快速上升。（c） 開路電壓。（d） 設(shè)備在1、2和3個(gè)陽光下的響應(yīng)功率密度。
圖7.（a） 室外實(shí)驗(yàn)裝置。（b） 室外蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)。（c） 不同光照強(qiáng)度和溫度下的室外熱電試驗(yàn)。
相關(guān)研究成果由四川大學(xué)Junyi Ji和成都理工大學(xué)Xiaoke Li等人2023年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c12517)上。原文：Integrated Janus Evaporator with an Enhanced Donnan Effect and Thermal Localization for Salt-Tolerant Solar Desalination and Thermal-to-Electricity Generation。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
