发布时间：2023-11-21 浏览次数：
太阳能驱动界面蒸发由于环保节能被认为是海水淡化的前瞻技术。然而海水持续蒸发过程中蒸发器内部的盐积累和盐度增加问题经常被忽视，也很少被利用。近日,辽宁大学化学院张宇/宋智凝课题组开发了一种海藻酸钙水凝胶/镍泡沫复合膜（chn），证明其是一种构建具有同步海水淡化和盐度发电功能的混合动力系统的新平台。其中镍泡沫具有优良的传热和导电性能，海藻酸钙水凝胶可以降低水的蒸发焓，并能强化蒸发器与海水之间的盐度梯度，chn与炭黑（cb）等太阳能吸收剂的混合体系实现了海水高效蒸发和同步电力输出（图1）。相关工作以“photothermal and conductive composite hydrogel membrane for solar-driven synchronous desalination and salinity power generation”为题，作为advance articles发表在《green chemistry》（doi: 10.1039/d3gc02453a）期刊上，论文通讯作者为辽宁大学化学院张宇副教授和宋智凝副教授，第一作者为辽宁大学化学院博士生何泓江。该研究工作得到国家自然科学基金（no. 51773085）和辽宁省自然科学基金(2022-ms-178)的资助。
要点一：水凝胶与泡沫镍复合膜（chn）通过负载炭黑（cb）实现了同步太阳能海水淡化与发电。
采用一步凝胶法制备的chn-cb膜，在1 sun下，模拟海水的蒸发速率为2.1 kg m-2 h-1，太阳能热效率高达92%，同时实现了20.3 ma m-2的最大短路电流，产生了5.3 mw m-2的额外电力（图2）。chn-cb膜不仅保持了cb的光热性能和泡沫镍的良好导热和导电性，还继承了水凝胶的微孔输水通道、耐盐性和良好的亲水性。与以往的盐度发电研究不同，本研究用海藻酸钙水凝胶取代了传统的离子交换膜，极大地降低了制备成本。
要点二：chn膜是通用的同步海水淡化与发电平台。
除cb外，还分别采用碳纳米管（cnts）、氧化石墨烯（go）和吡咯（ppy）作为混合动力系统的太阳能吸收材料，在1 kw m-2辐照下，这些系统的蒸发速率均在2.0 kg m-2 h-1以上。chn-cnts、chn-ppy和chn-go膜在模拟海水中产生的最大输出功率分别为4.7、4.6和2.5 mw m-2（图3）。
要点三：揭示了chn膜高效脱盐发电机理。
盐离子在chn-cb膜中的分布主要受donnan效应和扩散效应的影响。海藻酸盐羧基的电离使水凝胶膜内丰富的输水通道具有较高的zeta电位，可以形成双电层。chn-cb膜受donnan效应限制，但不能阻止所有氯离子进入蒸发器（图4a）。当离子通过带负电荷的水凝胶网络从高浓度区域扩散到低浓度的散装水中时，阴离子被排斥，而阳离子可以正常向下扩散，从而产生电势差（图4b）。chn-cb膜与散装水的盐度差异为发电提供了基本动力。水凝胶取代了蒸发器中使用的传统离子交换膜，将盐度差异转化为电能。
总结
综上所述，本文开发了一种利用蒸发引发的盐度梯度发电的新方法，即通过界面蒸发技术进行海水淡化并利用水凝胶膜从高盐度差异中获得电力。与之前报道的膜相比，chn膜的优点是成本低，耐盐性好，同时有效地实现了脱盐和盐度发电。这种混合能源系统避免了以前海水淡化过程产生的盐废物，可以提高整个系统的能源效率。
