呂堅院士，最新Nature Water！
被動界面冷卻誘導的可持續水-電聯產
淡水和電力是現代社會進一步發展的兩個相互交織的基本組成部分。人口增長、氣候變化和污染加劇加劇了全球水和電力短缺。太陽能作爲最取之不盡、用之不竭、最環保的能源，因其生產綠色電力和清潔水而受到極大關注。得益於近年來的深入研究工作，一系列太陽能水電熱電聯產設備已被開發出來。水電發電策略可以分爲兩類：第一個是通過蒸發引起的水/離子流發電；第二個是熱流誘導發電-水熱發電。
基於此，香港城市大學呂堅院士、香港理工大學WangQiliang助理教授合作提出了一種基於被動界面冷卻（PIC）策略的合理設計的混合系統。系統內的 PIC 區域加強了發電模塊和水發電模塊之間的能量交換，從而提高了混合模塊餘熱和潛熱的利用率，並最大限度地減少了空氣中的能量損失。因此，在 1 個太陽光的光照條件下，PIC 誘導的熱電聯產器表現出1.5 W m-2 的超高功率密度和2.81 kg m-2 h-1 的出色水蒸發率，分別比沒有 PIC 效應的設備高出 328% 和 158%。該系統還表現出卓越的鹽排斥能力、穩定性、耐久性和在各種惡劣條件下的適用性，證明了其在實際應用中的潛力。此外，還證實了PIC 策略在增強基於光伏的發電系統方面的有效性，從而將功率密度從 55.7 W m-2 提高到 75 W m-2。這項研究爲水電聯產發電機的設計提供了啓示，並推動了其與多種自然能源在高效水電聯產方面的應用。相關研究成果以題爲“Passive interfacial cooling-induced sustainable electricity–water cogeneration”發表在最新一期《 Nature Water》上。
【PICG的設計與機理】
PICG是一個具有四個功能組件的混合系統（圖1a）。頂層覆蓋有一層由炭黑組成的聚合物薄膜，以實現顯着的光熱轉換。第二層是用於發電的商業TEG。TEG的冷側附有散熱器，以實現高效熱傳導。底層包括由海綿製成的三叉戟形蒸發器，並通過定向冷凍製備。將散熱器插入三叉形蒸發器中形成PIC區域，提供大的散熱器-蒸發器和蒸發器-空氣界面，有利於TEG、蒸發器和環境之間的能量交換。整個PICG熱流的產生、傳輸和利用可分爲三個步驟（圖1b）：（1）吸收器將太陽光轉化爲熱量作爲一次能源輸入，熱量流經TEG用於發電。(2)熱量通過散熱器傳導至蒸發器。由於PIC區域的工程設計，界面區域的熱量可以有效地促進水蒸發。蒸發引起的潛熱進一步降低了TEG冷側的溫度，從而提高了發電量。(3)從環境中吸取熱量。蒸發器底部的溫度低於室溫，可以進一步吸收環境能量。圖1c顯示了PIC區域實現高效發電-水力發電的機制。PIC區域增強了發電和水生成模塊之間的能量交換。
圖 1. PICG的設計
【PICG的表徵】
塗覆的TEG（CTEG；圖2a）的黑色吸收層的厚度爲約100µm，與TEG表現出無縫結合，表現出強粘附力，界面處沒有任何間隙（圖2b）。原始的TEG顯示出超過75%的反射率，而CTEG的整個光吸收率顯着增強，超過96%太陽光譜（350-2500nm），證明吸收層具有出色的光吸收率（圖2c）。PICG具有對齊水道的蒸發器（圖2d，e）。同時蒸發器表現出優異的機械耐久性（圖2f）。
圖 2. PICG的製備與表徵
【PICG的熱流與水蒸發性能】
爲了證明 PIC 效應的關鍵作用，作者準備了四個系統來測試蒸發和發電性能（圖 3a）： (1) CTEG；(2) 被動冷卻誘導熱電聯產器（PCG；CTEG下方連接一個長方體蒸發器，運行中僅涉及被動冷卻）；(3)PICG（PIC效應在運行中起主導作用）；(4)三叉形蒸發器。爲記錄發電-制水性能，作者建立了一個定製的測試系統。PCG和PICG在1Sun光照下的紅外圖像，並模擬了PCG和PICG橫截面的溫度分佈（圖3b，c）。輻照1h後，PICG從CTEG的頂面到TS蒸發器的底部表現出明顯的溫度梯度（圖3d），與模擬結果一致。由於PIC效應，PICG系統中的TEG表現出最低的表面溫度但最大的溫差（圖3e）。PICG（2.81kgm −2h −1）的速率比PCG（1.53kgm −2h −1；圖3f）高83.7％。所製備的PICG的平均能量到蒸汽的轉換效率爲91.1%，高於之前報道的許多太陽能水蒸發器（圖3g）。
圖 3. PIC在熱流與蒸發性能上的影響
【PICG的產能特性】
PICG的開路電壓高達222mV，高於PCG和CTEG（分別爲182mV和132mV；圖4a）。在相同的照明條件下，PICG的功率密度爲1.5Wm -2，比PCG和CTEG分別高出87.8%和327.6%（圖4b、c）。此外，還分析了PICG在不同風速和輻照強度下的水電聯產性能（圖4d，e）。作者將PICG、PCG、CTEG和三叉形蒸發器的性能與基於TEG的水電耦合器的性能進行了比較，後者的性能是在沒有任何其他人工干預的情況下，在1個太陽的光照下測量的（圖4f）。PICG展示了卓越的發電和制水能力。圖4g顯示了PIC區域引起的功率模塊和水模塊之間能量交換的增強。
圖 4. CTEG, PCG, PICG產能特性
【PICG器件的實際應用】
作者開發了3D打印倒置結構原型，如圖5a所示。PIG被放置在原型內部。PICG 系統對各種液體表現出廣泛的適用性。 對於所有測試的液體，包括鹽水溶液、有機污水和重金屬溶液，蒸發速率和功率密度都保持穩定，這表明PICG系統與傳統離子流誘導電水發生器相比具有出色的穩定性（圖5）。此外，PICG 系統在高濃度鹽水溶液（20 wt%）中的長期穩定性（圖5d），即使經過各種嚴酷的化學和物理處理，PICG的電水熱電聯產性能也幾乎沒有變化（圖5e）。
圖5. PICG在實際應用中的穩定性與持久性
【總結】
本文展示了一種新型太陽能驅動熱電聯產器，它利用PIC效應加強發電模塊和水蒸發模塊之間的能量交換，從而實現發電和制水的最佳效率。這種熱電聯產器具有多種優勢，包括出色的光熱轉換性能、出色的供水性能和出色的熱管理能力，從而使其發電能力和淡水生產率同時提高，在1太陽光照射下分別達到1.5 Wm-2和2.81 kgm-2h-1，優於之前報道的大多數基於TEG的熱電聯產器。此外，PICG系統在各種惡劣條件下都表現出卓越的耐久性和對各種液體的適應性，證明了其出色的實用性。
強化的PIC效應還顯示出在各種水-能源關係系統中應用的巨大潛力。例如，將光伏面板與事先知情同意策略相結合，就能獲得更高的功率輸出，爲智能手錶、招牌和手機等實際商用電氣設備充電。值得注意的是，通過安裝聚光菲涅爾透鏡，還可以進一步提高輸出功率，這爲緩解全球能源-水供應挑戰提供了機遇。
來源：高分子科學前沿
聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！