1. 文（wén）章信息

標題：Hydrogel solar evaporator with a sodium sulfonate electrolyte backbone enabling continuous high-salinity desalination and energy generation

中文（wén）標題：基於鈉磺酸（suān）鹽電解質骨架的（de）水凝膠太陽能蒸發器，可實現連續高鹽度脫鹽和能源生成

頁碼：111182

DOI：10.1016/j.nanoen.2025.111182

2. 文章鏈接

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111182

 3. 期（qī）刊（kān）信息

期刊名：Nano Energy

ISSN：2211-2855

2025年影響（xiǎng）因子：16.8

 分區信息（xī）： JCR分區：Q1

涉及研究方向：材料科學綜合/物理化學

4. 作者信息：第一（yī）作者是荊鑫瑜。通訊（xùn）作者（zhě）為劉雄。

5.文章所用產品：CEL-S500氙燈光源；

文章簡介

  太陽能驅動（dòng）的海水（shuǐ）淡化被認為（wéi）是一種具有（yǒu）前途（tú）的淡水獲取技術，該技術具有低碳和高能量輸入（rù）的（de）優勢。然而，海水中鹽分的積累（lèi）限製了太陽能蒸發（fā）器的長期應用。受唐南效應的啟發，劉雄團隊（duì）設（shè）計了一係列聚陰離子水凝（níng）膠蒸發器用（yòng）於保證在高濃度（dù）鹽水中的蒸（zhēng）發效率（lǜ），同時借（jiè）助於Ti3C2TX優異的光熱轉換能力（lì）該裝置還可以還進行熱電發電。用殼聚糖（CS）作為網（wǎng）絡結構，與含有可電離磺酸基（-SO3-）的聚（jù）電解質和PAM互穿，形成聚陰離子電解質（zhì）水凝膠。分別研究不同種類磺酸鈉單體（2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸鈉（NaAMPS），乙烯基（jī）磺酸鈉（VBS），烯丙基磺酸鈉（ALS）或者聚苯乙烯磺酸鈉（PSS））和不同單體含量對鹽水（shuǐ）中蒸（zhēng）發速率的影響。

  結果表明，隨著水（shuǐ）凝（níng）膠固定（dìng）在（zài）供水層中的反離子Na+含量（liàng）的升高，水凝膠的抗鹽能力呈現增高的趨勢。在20 wt% NaCl溶液中，NaAMPS 含量（liàng）占總單體量為10%的水凝膠展（zhǎn）示出2.23  kg m-2 h-1的蒸發率和98%的蒸發效率。水凝膠供水層內受限的Na+的高化（huà）學電位引發 Donnan 分布平衡，使得鹽水中進入水凝膠中鹽離子量大大減少，這進一步避免了鹽分積累引發的性能下降問題。值得注（zhù）意的是，盡（jìn）管在極低的溫度（-4.8 ℃）和光通量（9.8 kW m-2）的惡略環境中（zhōng），CAN2水凝膠蒸（zhēng）發器仍然具有一定（dìng）的蒸發能力。

  此外，將水凝（níng）膠（jiāo）與熱電模塊進（jìn）行組裝，該裝置展示出穩定的輸（shū）出功率0.37 W m-2和1.85kg m-2 h-1的蒸發速率在1太陽光照（zhào）下。這項工作不僅為高濃度鹽水中（zhōng）淡水的獲取提供了新穎的技（jì）術手段，同時還為（wéi）太陽能（néng）熱（rè）電發電提供了靈活應用方法。相（xiàng）關研究成果以“Hydrogel solar evaporator with a sodium sulfonate electrolyte backbone enabling continuous high-salinity desalination and energy generation”為題在（zài）《Nano Energy》期刊上發表。劉雄副（fù）教授為該論文的通訊作者，荊鑫瑜為該論文的第一作（zuò）者。

圖1：（a）陰離子水凝膠（jiāo）的（de）成分和優勢。（b）唐南效（xiào）應誘導的耐鹽機理。（c）水凝膠淨水和發電的示意圖。

  圖2：(a)負電性水凝膠的製備過程（chéng）。(b) CAN2的吸（xī）收光譜。（c）CAN0和CAN2的XPS圖。CAN2的XPS圖: (d) S 2p，(e) Na 1s。（f-i）CAN0，CAN1，CAN2和CAN3的SEM圖（tú）。

  圖3：CAN0和CAN2水（shuǐ）凝（níng）膠: (a-b) 拉伸（shēn）的應力-應變曲（qǔ）線和（hé）韌性。 (c) CAN2水凝膠60%應變下的拉伸循環的（de）應力-應變曲（qǔ）線。 (d) CAN0和CAN2水凝膠的壓縮的應力-應變曲線。 (e) CAN2的壓縮循環的應力-應（yīng）變曲線。 (f) 樣品（pǐn）圖片，樣品彎曲，拉伸，扭曲，壓縮（suō）圖片和撤去應力後的樣品圖（tú）片。

  圖4：（a）室內蒸發實驗裝置圖。水凝膠的（de）水接觸角（jiǎo）圖：（b-c）CAN0和CAN2。（d）CAN0和（hé）CAN2的飽和水含量和水運輸速率。（e）CAN2的紅外圖片（f） 未添加Ti3C2Tx的（de）CAN2 的紅外（wài）圖片（piàn）。（g）CAN2的（de）頂層和底層溫度。（h）蒸發速率。（i）蒸發焓和蒸發效率。（j）不同鹽度時的蒸發速（sù）率在以前所作的工作中。（k）蒸發焓降低的原（yuán）理（lǐ）。

  圖5：（a）不同濃度鹽水中的蒸發速率。（b）CAN2的質量損失在連（lián）續12 h光照時。（c）CAN2的蒸發速率（lǜ）在（zài）連續12 h光照時。（d）光照12h後和關燈12h後的蒸發器表麵圖片。（e）蒸發速率和質量損失在關燈12h後繼續進行的蒸發實驗。（f）CAN2，CAN/VBS，CAN/SAF，CAN/PSS的蒸發（fā）速率。（g）CAN2的蒸發速率在不同光照（zhào）強度時。（h）蒸發水（shuǐ）收集裝置。（i）離子濃度的改變在淨水前後。（j）重金屬離（lí）子濃度的改變在淨水（shuǐ）前後（hòu）。（k）亞甲基藍濃（nóng）度的改變（biàn）在淨水前（qián）後。（l）甲基橙濃度的改變在淨水（shuǐ）前後。

  圖6：室外第一天蒸（zhēng）發實驗（yàn）：（a）蒸發速率，（b）光照強度和溫度（dù）。（c）室外長（zhǎng）循環實驗。室（shì）外第九天蒸發（fā）實驗：（d）蒸（zhēng）發速率，（e）光照強度和溫度。（f）低溫測試環境圖片。低溫環境蒸發實驗：（g）蒸發速率，（h）光照強（qiáng）度和（hé）溫度（dù）。（i）CAN2水（shuǐ）凝膠樣品、擠壓（yā）、折疊和（hé）扭曲（qǔ）圖片。（j）室外蒸發和（hé）蒸餾水收集裝置。（k）光照強度和溫度曲線。

  圖7：（a）唐南效應（yīng）誘導的（de）高效耐鹽機理。（b）聚陰離子水凝膠層和鹽水的（de）初始離子（zǐ）濃度。（c）聚陰離子水凝膠層和鹽水之間的唐南分布平（píng）衡。（d）進入CAN水凝膠中Na+和Cl-濃度。

  圖8：（a）熱電聯產裝置示意圖與溫（wēn）差發電（diàn）原理示意圖。（b）Voc的變化。（c）不同光照條件時（shí）Voc。（d）不同光（guāng）照條件的（de）Isc。（e）1太陽光照時Isc。（f）不同光照條件下的功（gōng）率和功率密度。（g）CAN2水凝膠在1太陽光（guāng）照時Isc。