太陽能驅動界面蒸發技術在海水淡化中具有很大的優勢。然而，在太陽能蒸發器的長期運行過程中，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產系統，利用耐鹽、異質Janus結構蒸發器（FHJE）同時進行太陽能脫鹽和熱電發電。頂部蒸發層由預先嵌入Fe
3+陽離子的石墨烯基光熱膜組成，增強了太陽能吸收和能量轉換能力。同時，Fe
3+陽離子進一步促進了Donnan效應，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，有助于促進水的傳輸。FHJE在10 wt%的鹽水中表現出高達3.655 kg m
-2 h
-1和94.7%的蒸發速率和效率，并且在連續蒸發8 h（15 wt%）后表現出優異的耐鹽能力而不會積聚鹽。此外，還構建了一個水電熱電聯產蒸發器裝置，該裝置在1個太陽下的開路電壓（VOC）和最大輸出功率密度分別高達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） 蒸發器的導熱系數。（d） 蒸發器表面和大量水的溫度。（e） FHJE在連續光照和蒸發過程下的表面溫度。
圖4.（a） FHJE高效抗鹽機理研究。（b） 通過Fe
3+@GOM的Donnan效應說明有效抗鹽機制。
圖5.（a） 蒸發器在不同鹽水中的蒸發率。（b） FHJE的太陽能蒸發性能和先前報道的參考文獻的比較。（c） 黑暗中的水分蒸發率和不同水樣的蒸發焓。（d） FHJE的長期循環試驗。（e） 脫鹽前后不同鹽度鹽水的TDS。（f） 真實海水中離子濃度的變化。（g） 耐鹽性試驗。
圖6.（a） 熱電轉換模型的結構示意圖。（b） FHJE在1、2和3個太陽下的表面溫度快速上升。（c） 開路電壓。（d） 設備在1、2和3個陽光下的響應功率密度。
圖7.（a） 室外實驗裝置。（b） 室外蒸發實驗。（c） 不同光照強度和溫度下的室外熱電試驗。
相關研究成果由四川大學Junyi Ji和成都理工大學Xiaoke Li等人2023年發表在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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
