华中科技大学新闻网10月19日讯：水资源匮乏和能源短缺是挑战人类社会生存底线的严重威胁。将太阳能界面光热水蒸发与热电 (TE) 技术集成是解决上述问题的最佳方案之一 (Nat. Energy 3 (2018) 1031-1041; Energy Environ. Sci. 15 (2022) 3388-3399)。到目前为止，人们在制备先进的光热材料或设计新型蒸发装置等研究方面取得了重大进展。然而传统蒸发器受昼夜循环的影响，只能间歇性运行，当光照强度较低时（例如阴天)，因受热不充分，其蒸发性能会显著降低（甚至降低~60%）。另外，即便在强烈的阳光照射下，高温蒸发器的充足热量也会不可避免地泄漏到环境中，导致太阳能利用效率低下。因此，开发具有热量管理功能的蒸发器是弥补其因受昼夜循环和太阳辐射不确定性而导致蒸发性能问题低下的有效途径。

近年来，瞿金平院士华中大团队牛冉研究员及其合作者致力于太阳能界面水蒸发及其与热电集成的研究，开发了多种类型的复合蒸发器 (Chemical Engineering Journal 458 (2023) 141511; Chemical Engineering Journal 454 (2023) 140383; Chemical Engineering Journal 451 (2023) 138534; Energy & Environmental Materials 6 (2023) e12376; Small (2023) 230091; Small 18 (2023) 2200175)。在最近的工作中，受抗冻甲虫生物学的启发，瞿金平院士华中大团队牛冉研究员、新加坡国大闵嘉康博士、华中大龚江研究员合作，通过简便、经济高效的策略制备了一种具有三明治结构的全天候蒸发器(MCMX)，并将其用于水电联产 (图1)。该蒸发器的顶层和底层由MnO2改性的棉布(MC)组成，用于光热转换和水传输，而中间层由相变微胶囊/水凝胶复合材料(PCL)组成，用于储热和放热 (图2和3)。在1 kW m-2的太阳光照下，MCMX蒸发器表现出2.67 kg m-2h-1的高蒸发率以及89.5%的蒸发效率。在黑暗中，从相变层释放的热量可以支持蒸发器0.43 kg m-1h-1的蒸发速率，是纯水的3.6倍(图4和5)。与热电模块组合后的混合装置在1 kW m-2太阳光照下可稳定输出0.42 W m-1的电功率，并在黑暗下延长输出电压30 min (图5和6)。在户外实验中，MCMX蒸发器的产水速率达到0.77 kg m-2h-1，八台设备串联产生的电力可以在白天和晚上为电子计算器、计时器或风扇供电 (图7)。该仿生太阳能蒸发器可以提高太阳能的整体利用率，为实现全天候淡水和电力生产开辟了一条新的途径。

图1受防冻蛋白启发的MnO2基全天候太阳能蒸发器用于产水和发电的示意图

相关工作以Bio-Inspired Sandwich-Structured All-Day-Round Solar Evaporator for Synergistic Clean Water and Electricity Generation发表在Advanced Energy Materials(中科院1区，影响因子27.8)。论文第一作者为华中科技大学化学与化工学院牛冉研究员，论文通讯作者为龚江研究员(华中科技大学化学与化工学院)和闵嘉康博士(新加坡国立大学)。论文作者还包括任佳欣(21级硕士生)、陈玲(22级博士生)和瞿金平院士，以及Justin Koh, Xiaodong Xu和Jalal Azadmanjiri。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发项目以及华中科技大学人才引进启动基金的资助。（本刊有删节）详情见华中科技大学官网

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202302451