江西科技师范大学徐景坤、卢宝阳教授Nano Energy:

太阳能双驱动微孔水凝胶蒸发器的设计及全天候高效水净化

由于人口增长、工业化和气候变化，淡水匮乏被认为是世界面临的最紧迫挑战之一。相较于传统淡水获取方式，太阳能驱动的界面水蒸发技术因其绿色和能源丰富等优势在解决全球缺水问题方面具有巨大潜力。然而，自然环境中太阳强度的可变性限制了其全天候高效净水的可靠性。

近日，江西科技师范大学徐景坤、卢宝阳教授团队成功将简易网状电加热片集成于碳基水凝胶蒸发器体系中，开发出一种光热-电热双驱动蒸发器。该蒸发器表现出优异的性能，包括99.45%的宽光谱吸收、1730 J g^-1的低蒸发焓、1.82 kg m^-2 h^-1的光热蒸发速率、6.45 kg m^-2 h^-1的电热蒸发速率和16.35 kg m^-2 h^-1的超高双驱动蒸发速率。基于这些优越性能，团队进一步开发了一种适用于户外实际环境的零耗能太阳能-电能双驱动净水系统，该净水系统集成太阳能电池板和移动电源实时监测光强、温度和湿度，实现了全天候高效净水过程。该工作以“A solar-electric dual-driven microporous hydrogel evaporator for all-weather highly efficient water purification”为题发表在Nano Energy上。

双驱动水凝胶蒸发器的设计与制备：

通过简易地机械搅拌和超声波分散策略，成功制备了原位自由基聚合的碳纳米管-聚丙烯酰胺水凝胶。结合多步制备策略，进一步制备了水凝胶包裹电加热网的双驱动界面蒸发器。太阳能板、移动电源等部件与蒸发器组合，构建了一个集光热、电热和光伏效应于一体的净化系统，实现了能源循环利用和零能耗的高效净水过程。

图1 双驱动水凝胶和系统的制备与设计

双驱动水凝胶的微观形貌和力学性能：

CNTs-PAAm水凝胶的微观形貌呈现出密集的多孔结构，微孔尺寸在120 μm左右。此外，水凝胶的力学性能使其具备一定的抗冲击能力以应对恶劣的水环境。

图2 CNTs-PAAm水凝胶的微观形貌和力学性能

双驱动水凝胶的单驱动性能：

CNTs-PAAm水凝胶在全光谱（250-2500 nm）下的光吸收率为99.45%，水接触角为22.38°，水凝胶蒸发晗达到1730 J g^-1。此外，水凝胶在1kw m^-2的光照下，蒸发速率达到1.82 kg m^-2 h^-1。黑暗情况下的焦耳加热的水蒸发速率可达6.45 kg m^-2 h^-1（3A）。

图3 双驱动水凝胶的光学、光热和电热性能  

双驱动水凝胶的双驱动性能：

通过简易多步制备策略制备了具有双驱动性能的蒸发器，该蒸发器具有16.35 kg m^-2 h^-1的超高蒸发速率。相较于单一能源驱动模式，双驱动下水凝胶蒸发器的蒸发速率得到显著提升。该双驱动水凝胶蒸发器的性能突破较大，优于近两年发表的相关工作。

图4 双驱动水凝胶的双驱动性能及性能对比

双驱动水凝胶的户外测试及实际应用：

多部件组合所搭建的水净化系统在户外环境下展示出巨大的潜力，可实时监测实际环境下的光强、温度和湿度。太阳能板和移动电源可为蒸发器补充电能，从而以3.1 kg m^-2 d^-1的速率在持续阴雨天气收集清洁水。此外，双驱动水凝胶还具备净化海水和有机染料废水的能力。

图5 双驱动净水系统的户外测试和实际应用

综上所述，该团队提出了一种太阳能驱动的光热-电热水凝胶蒸发器。通过引入简易网状电加热片，制备的双驱动水凝胶蒸发器同时具备良好的光学响应、光热转换及电热响应性能。作者进一步开发了户外零耗能太阳能-电能双驱动净水系统，该系统兼具实时户外环境监测和全天候高效净水的能力。网状电加热片集成策略及高性能双驱动水凝胶蒸发器有望为高效、全天候太阳能净水技术开辟新机遇。

江西科技师范大学硕士研究生邱俊晓、徐新叶及东华理工大学博士研究生李政为论文共同第一作者；江西科技师范大学徐景坤教授、卢宝阳教授和上海格涛科技有限公司吕小明为论文共同通讯作者；参与作者还包括北方民族大学刘贵群副教授和江西科技师范大学本科生胡雨萱等。

通讯作者简介：

徐景坤教授简介：江西科技师范大学二级教授、柔性电子江西省重点实验室名誉主任，全球前2%顶尖科学家、全球前1万、国内前1千名顶尖科学家。主要从事基于应用背景的导电高分子研究。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、科技部成果转化项目等国家级课题11项。获江西省自然科学一等奖1项、二等奖1项、江西省教学成果一等奖1项。发表SCI论文600余篇，引用20000余次，H因子70；授权发明专利20余项。

卢宝阳教授简介：江西科技师范大学柔性电子创新研究院常务副院长、柔性电子江西省重点实验室主任。主要致力于导电聚合物人机融合交互界面构筑及先进加工制造技术开发。以第一或通讯作者在Nat. Mater.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等期刊上发表SCI论文160余篇，引用7000余次，授权中国、美国发明专利20余项。主持国家自然科学基金等项目20余项，获江西省自然科学奖一等奖1项、二等奖1项、江西省高校科技成果一等奖2项。

原文链接：

Junxiao Qiu^†, Xinye Xu^†, Zheng Li^†, Yuxuan Hu, Guiqun Liu, Xiaoming Lv^*, Jingkun Xu^*, Baoyang Lu^*. A solar-electric dual-driven microporous hydrogel evaporator for all-weather highly efficient water purification. Nano Energy, 2024, 130: 110057.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285524008073?dgcid=author