1. 文章信息

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

中文標題：基於鈉磺酸鹽電（diàn）解（jiě）質骨（gǔ）架的水凝膠太陽（yáng）能蒸發器，可實現連續高鹽度脫鹽和能源生成

頁碼（mǎ）：111182

DOI：10.1016/j.nanoen.2025.111182

2. 文（wén）章鏈接

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

 3. 期刊信（xìn）息

期（qī）刊名：Nano Energy

ISSN：2211-2855

2025年影（yǐng）響因子：16.8

 分區（qū）信息： 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：第一作者是荊（jīng）鑫瑜。通訊作者為劉雄。

5.文章所用產品：CEL-S500氙燈光源；

文章簡介

  太陽能驅動的海（hǎi）水淡化被認為是一（yī）種（zhǒng）具有前途的淡水獲取技術，該技術具有低（dī）碳和高能量輸入的優勢。然（rán）而，海水中鹽分的積累限製了太陽能蒸發器的長期應用。受（shòu）唐南效應的啟發，劉雄團隊設計了一係列聚陰離子水凝膠蒸發器用於（yú）保證（zhèng）在高濃度鹽水中的蒸發效率，同時借（jiè）助於Ti3C2TX優（yōu）異的光熱轉換能力該裝置還（hái）可以還進行熱（rè）電發電。用殼聚糖（CS）作為網絡結構，與含有可電離磺酸基（-SO3-）的聚電解質和PAM互穿，形成聚陰離子電解（jiě）質水凝膠。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），乙烯基磺酸鈉（VBS），烯丙（bǐng）基磺酸鈉（ALS）或者聚苯（běn）乙烯（xī）磺酸鈉（PSS））和不同單體含量對鹽水中蒸發速率的影響。

  結果表明，隨著水凝膠（jiāo）固定在供水層中的反離子Na+含量的升高，水凝膠（jiāo）的（de）抗鹽能力呈（chéng）現增高的（de）趨勢。在（zài）20 wt% NaCl溶液中，NaAMPS 含量占總單（dān）體量為10%的水凝膠（jiāo）展示出2.23  kg m-2 h-1的蒸發率和98%的蒸發效率。水（shuǐ）凝膠供水層內（nèi）受限的Na+的高化學電位引發 Donnan 分布平（píng）衡（héng），使得鹽水中進入水凝膠中鹽離子量大大（dà）減少，這進一步避免了鹽（yán）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，CAN2水凝膠蒸發器仍然具有（yǒu）一（yī）定的蒸發能力。

  此外，將（jiāng）水凝膠與熱電模塊進行組裝，該裝置展示出（chū）穩定的輸出功率0.37 W m-2和1.85kg m-2 h-1的（de）蒸發（fā）速（sù）率在1太陽光照（zhào）下。這項工作不僅（jǐn）為高濃度鹽水中（zhōng）淡水的獲取提供了新穎的技術手段，同時還為太陽能熱電發電提供了靈活應用方法。相（xiàng）關研究（jiū）成果（guǒ）以“Hydrogel solar evaporator with a sodium sulfonate electrolyte backbone enabling continuous high-salinity desalination and energy generation”為題在《Nano Energy》期刊上發表（biǎo）。劉雄（xióng）副教授為該（gāi）論文的通訊作者，荊鑫瑜為該論文的第一作者。

圖（tú）1：（a）陰離子水凝膠的成分和優勢（shì）。（b）唐南（nán）效（xiào）應誘（yòu）導的耐鹽機（jī）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。(b) CAN2的吸收光譜（pǔ）。（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。

  圖3：CAN0和CAN2水凝膠: (a-b) 拉伸的應力-應變曲線和韌性。 (c) CAN2水凝膠60%應變下的拉伸循環的應力-應變曲線。 (d) CAN0和CAN2水凝膠的壓縮（suō）的應力-應變曲（qǔ）線（xiàn）。 (e) CAN2的壓縮循環的應（yīng）力-應（yīng）變曲線。 (f) 樣品圖片，樣品彎曲（qǔ），拉（lā）伸，扭曲，壓縮圖片和撤去應力後的樣品圖（tú）片。

  圖4：（a）室內（nèi）蒸發實驗裝置圖（tú）。水凝膠的水接觸角圖：（b-c）CAN0和CAN2。（d）CAN0和CAN2的飽和水含量和水運輸速率。（e）CAN2的（de）紅外（wài）圖片（piàn）（f） 未添加Ti3C2Tx的CAN2 的紅（hóng）外圖片。（g）CAN2的頂層（céng）和（hé）底層溫度。（h）蒸發速率。（i）蒸發焓（hán）和蒸發效（xiào）率。（j）不同鹽（yán）度時的（de）蒸發速率在以前所（suǒ）作的工作中。（k）蒸發焓降低的原理。

  圖5：（a）不同濃度鹽水中的蒸發速率。（b）CAN2的質量損失在連續12 h光照時。（c）CAN2的（de）蒸發速率在連續12 h光照（zhào）時。（d）光（guāng）照12h後和關燈（dēng）12h後的蒸發器表麵圖片。（e）蒸發速率和（hé）質量損失在關燈12h後（hòu）繼續進行的蒸發（fā）實驗。（f）CAN2，CAN/VBS，CAN/SAF，CAN/PSS的蒸發速率。（g）CAN2的蒸發速率在不同光照強度時。（h）蒸發水收集裝置。（i）離（lí）子濃度的改變在淨水前後。（j）重金屬離子濃度的改變在淨水前後（hòu）。（k）亞甲基藍濃度的改變在淨水前後。（l）甲基橙（chéng）濃度的改變在淨水前後。

  圖6：室外第一天蒸發實驗：（a）蒸發速（sù）率，（b）光照強度（dù）和溫度。（c）室外（wài）長循（xún）環（huán）實驗。室外第九天蒸發實驗：（d）蒸發（fā）速率，（e）光照強度和溫度。（f）低溫測試環境圖片。低溫環境（jìng）蒸發實驗：（g）蒸發速率（lǜ），（h）光照強度和溫度。（i）CAN2水凝膠樣品、擠壓、折疊和扭曲（qǔ）圖片。（j）室外（wài）蒸發和蒸餾水收集裝置。（k）光（guāng）照強度和溫度曲線。

  圖7：（a）唐南（nán）效應誘導的高效耐鹽機理。（b）聚陰離子水凝膠層和鹽水的（de）初始離子濃度。（c）聚陰離子水凝膠層和鹽水之間的唐南分布平衡。（d）進入（rù）CAN水凝膠（jiāo）中Na+和Cl-濃（nóng）度。

  圖8：（a）熱電聯產裝（zhuāng）置示（shì）意圖與溫差發（fā）電原理示意圖。（b）Voc的變化。（c）不同（tóng）光（guāng）照（zhào）條件時Voc。（d）不同光照條（tiáo）件的Isc。（e）1太陽光照時Isc。（f）不同光照條件下的功率和功（gōng）率密度。（g）CAN2水凝膠在1太陽光照（zhào）時Isc。