水資源短缺和能源危機是威脅人類社會發展的兩個關鍵問題。將利用太陽能的界面光熱水蒸發與熱電（TE）模塊相結合是解決上述問題的最佳方案之一。到目前為止，人們在制備先進的光熱材料和設計新型蒸發裝置上做出了巨大的努力。然而，之前開發的方法或者依賴有毒化學制劑，或者需要昂貴的高能耗設備，無法實現光熱材料的連續制造，這極大地限制了其大規模化生產和實際應用。此外，傳統方法制造出的蒸發器無法生物降解，可能會在海洋中生成白色污染物和微塑料，這對環境并不友好。因此，如何實現具有生物可降解能力的太陽能蒸發器的低成本、規模化制備至關重要。
近日，華中科技大學瞿金平院士/牛冉研究員團隊提出了一種熔融共混和表面涂覆相結合的方式構建三維可生物降解泡沫，用于有效的太陽能驅動水蒸發和熱電聯產（圖1）。將高含量蔗糖（80%）與聚羥基脂肪酸酯（PHA）在拉伸流場主導的擠出機中共混，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。獲得的三維蒸發器具有多孔結構和超親水性，可確保蒸發過程中充足的供水（圖2），PHA-6泡沫在1 kW m-2太陽照射下表面溫度最高可達到70.1℃（圖3），此外，增加三維蒸發器的高度也可以提高光熱轉換能力和蒸發效率，其中在1 kW m-2太陽照射下的蒸汽產率高達4.33 kg m-2h-1（圖4），同時具有多場景、長時間應用的能力（圖5）。與熱電模塊組裝成的產電裝置產電功率在1 kW m-2太陽照射下達到0.8W m-2（圖6）。在戶外實驗中，連續12 h的累計產水量達到4.24 kg m-2；幾個熱電裝置串聯可以為電風扇、計算器和計時器等小型設備供電（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地區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在三個壓縮-釋放循環中的應力-應變曲線。插圖：不同應變下的樣品照片。(e) 將 PHA-6和PHA-0的底部浸入水中時，泵水高度與時間的關系。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) 相應的紅外圖像
圖4 (a) 太陽能驅動蒸發裝置方案。(b) PHA-x蒸發器在1 kW m-2 光照下水的質量損失。(c) PHA-x在1 kW m-2光照下的蒸發速率和相應的太陽能蒸發效率。(d) PHA-x在黑暗中的水質量損失和相應的蒸發晗。(e) 不同高度的 PHA-6 蒸發器在 1 kW m-2光照下水的質量變損失。插圖為不同高度PHA-6蒸發器的照片。(f)不同高度的PHA-6蒸發器在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率。(c) 海水和蒸發后冷凝水中金屬離子濃度的比較。(d) MB和RhB溶液以及蒸發后冷凝水的紫外-可見吸收曲線。插圖為相應水的照片。高度為3厘米的 PHA-6蒸發器在 (e) 10次光照開關周期和 (f) 連續照射5 h的水質量變化。插圖：PHA-6蒸發器上方形成的水蒸氣照片。(g) PHA-6蒸發器（高度為3厘米）在不同太陽強度下的水重量損失。(h) 顯示PHA-6表面在黑暗中鹽溶解過程的照片。(i) 海水蒸發11小時前后PHA-6的照片
圖6 (a) 有（底部）和沒有（頂部）PHA-6泡沫的TE設備照片。(b) PHA-6在不同太陽照射強度下的開路電壓和表面溫差。(d) PHA-6在1個太陽照射下的電壓和溫度變化。(e) 電流與電壓關系圖和 (f) 不同太陽輻照強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生的開路電壓。(i) PHA-6和其他報道的太陽能蒸發器在1kW m-2光照下的蒸發和發電性能圖。
圖7 (a) 室外環境中用于太陽能蒸發的裝置方案。(b) 自制裝置的照片。(c) 顯示在冷凝器上積聚水滴的照片。(d) 溫度和太陽光照強度的變化; (e) 出水量和海水淡化量的變化。(f) 連續三天的產水量。(g) 室外環境中用于熱電發電的方案和裝置。(h) 開路電壓與時間的關系。注意:風使電壓波動。(i) 顯示由八個串聯熱電模塊供電的小風扇或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間的關系。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。插圖為樣品的相應照片
該工作以Mass production of biodegradable porous foam for simultaneous solar evaporation and thermoelectricity generation發表在Journal of Materials Chemistry A（影響因子11.9）。論文第一作者為湖北大學材料科學與工程學院2021級聯培碩士劉志鵬，論文通訊作者為華中科技大學化學與化工學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。該研究得到國家重點研發項目、國家自然科學基金、華南理工大學廣東省高分子先進制造技術與裝備重點實驗室開放項目以及新能源化學與器件創新人才引智基地的資助。
原文鏈接: https://doi.org/10.1039/D3TA06133G
通訊作者簡介
牛冉，華中科技大學化學與化工學院研究員、博士生導師，主要研究領域為微納馬達和新能源材料。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際刊物上發表SCI論文60余篇，獲授權專利5項，申請專利7項。主持承擔國家自然科學基金、重點研發計劃青年科學家項目、重點研發計劃子課題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、武漢英才等多項榮譽獎勵。擔任Rare Metals期刊 (中科院1區，影響因子6.3), Exploration和Energy Materials期刊青年編委。
