​ 四川大学和西安交通大学–用于耐盐太阳能脱盐和热电联产的具有增强Donnan效应和热局部化的集成Janus蒸发器

太阳能驱动界面蒸发技术在海水淡化中具有很大的优势。然而，在太阳能蒸发器的长期运行过程中，盐可能沉积在太阳能吸收表面上，这反过来又阻碍了蒸发过程。因此，迫切需要提出新的反盐策略来解决这一问题。在这里，本研究提出了一种新的热电联产系统，利用耐盐、异质Janus结构蒸发器（FHJE）同时进行太阳能脱盐和热电发电。顶部蒸发层由预先嵌入Fe³⁺阳离子的石墨烯基光热膜组成，增强了太阳能吸收和能量转换能力。同时，Fe³⁺阳离子进一步促进了Donnan效应，有效地排斥了盐水中的盐离子。底层包括由亲水性植酸（PA）和聚乙烯醇（PVA）组成的水凝胶，有助于促进水的传输。FHJE在10 wt%的盐水中表现出高达3.655 kg m^-2 h^-1和94.7%的蒸发速率和效率，并且在连续蒸发8 h（15 wt%）后表现出优异的耐盐能力而不会积聚盐。此外，还构建了一个水电热电联产蒸发器装置，该装置在1个太阳下的开路电压（VOC）和最大输出功率密度分别高达143 mV和1.33 W m^-2。本研究有望为太阳能的综合利用提供新的思路。

图1.（a）Fe³⁺@GOM和（b）PVA/PA水凝胶的制备说明。

图2.（a，b）FHJE的光学图像。（c） Fe³⁺@GOM层的截面SEM图像。（d） PVA/PA水凝胶的SEM。（e） PVA和水凝胶的FT-IR光谱。

图3.（a） 水凝胶的接触角。（b） FHJE的阳光吸收特性。（c） 蒸发器的导热系数。（d） 蒸发器表面和大量水的温度。（e） FHJE在连续光照和蒸发过程下的表面温度。

图4.（a） FHJE高效抗盐机理研究。（b） 通过Fe³⁺@GOM的Donnan效应说明有效抗盐机制。

图5.（a） 蒸发器在不同盐水中的蒸发率。（b） FHJE的太阳能蒸发性能和先前报道的参考文献的比较。（c） 黑暗中的水分蒸发率和不同水样的蒸发焓。（d） FHJE的长期循环试验。（e） 脱盐前后不同盐度盐水的TDS。（f） 真实海水中离子浓度的变化。（g） 耐盐性试验。

图6.（a） 热电转换模型的结构示意图。（b） FHJE在1、2和3个太阳下的表面温度快速上升。（c） 开路电压。（d） 设备在1、2和3个阳光下的响应功率密度。

图7.（a） 室外实验装置。（b） 室外蒸发实验。（c） 不同光照强度和温度下的室外热电试验。

相关研究成果由四川大学Junyi Ji和西安交通大学Xiaoke Li等人2023年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (链接：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。