1. 文章信息

标题：Hydrogel solar evaporator with a sodium sulfonate electrolyte backbone enabling continuous high-salinity desalination and energy generation

中文标题：基于钠磺酸盐电解质骨架的水凝胶太阳能蒸发器，可实现连续高盐度脱盐和能源生成

页码：111182

DOI：10.1016/j.nanoen.2025.111182

2. 文章链接

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111182

 3. 期刊信息

期刊名：Nano Energy

ISSN：2211-2855

2025年影响因子：16.8

 分区信息： JCR分区：Q1

涉及研究方向：材料科学综合/物理化学

4. 作者信息：第一作者是荆鑫瑜。通讯作者为刘雄。

5.文章所用产品：CEL-S500氙灯光源；

文章简介

  太阳能驱动的海水淡化被认为是一种具有前途的淡水获取技术，该技术具有低碳和高能量输入的优势。然而，海水中盐分的积累限制了太阳能蒸发器的长期应用。受唐南效应的启发，刘雄团队设计了一系列聚阴离子水凝胶蒸发器用于保证在高浓度盐水中的蒸发效率，同时借助于Ti3C2TX优异的光热转换能力该装置还可以还进行热电发电。用壳聚糖（CS）作为网络结构，与含有可电离磺酸基（-SO3-）的聚电解质和PAM互穿，形成聚阴离子电解质水凝胶。分别研究不同种类磺酸钠单体（2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸钠（NaAMPS），乙烯基磺酸钠（VBS），烯丙基磺酸钠（ALS）或者聚苯乙烯磺酸钠（PSS））和不同单体含量对盐水中蒸发速率的影响。

  结果表明，随着水凝胶固定在供水层中的反离子Na+含量的升高，水凝胶的抗盐能力呈现增高的趋势。在20 wt% NaCl溶液中，NaAMPS 含量占总单体量为10%的水凝胶展示出2.23  kg m-2 h-1的蒸发率和98%的蒸发效率。水凝胶供水层内受限的Na+的高化学电位引发 Donnan 分布平衡，使得盐水中进入水凝胶中盐离子量大大减少，这进一步避免了盐分积累引发的性能下降问题。值得注意的是，尽管在极低的温度（-4.8 ℃）和光通量（9.8 kW m-2）的恶略环境中，CAN2水凝胶蒸发器仍然具有一定的蒸发能力。

  此外，将水凝胶与热电模块进行组装，该装置展示出稳定的输出功率0.37 W m-2和1.85kg m-2 h-1的蒸发速率在1太阳光照下。这项工作不仅为高浓度盐水中淡水的获取提供了新颖的技术手段，同时还为太阳能热电发电提供了灵活应用方法。相关研究成果以“Hydrogel solar evaporator with a sodium sulfonate electrolyte backbone enabling continuous high-salinity desalination and energy generation”为题在《Nano Energy》期刊上发表。刘雄副教授为该论文的通讯作者，荆鑫瑜为该论文的第一作者。

图1：（a）阴离子水凝胶的成分和优势。（b）唐南效应诱导的耐盐机理。（c）水凝胶净水和发电的示意图。

  图2：(a)负电性水凝胶的制备过程。(b) CAN2的吸收光谱。（c）CAN0和CAN2的XPS图。CAN2的XPS图: (d) S 2p，(e) Na 1s。（f-i）CAN0，CAN1，CAN2和CAN3的SEM图。

  图3：CAN0和CAN2水凝胶: (a-b) 拉伸的应力-应变曲线和韧性。 (c) CAN2水凝胶60%应变下的拉伸循环的应力-应变曲线。 (d) CAN0和CAN2水凝胶的压缩的应力-应变曲线。 (e) CAN2的压缩循环的应力-应变曲线。 (f) 样品图片，样品弯曲，拉伸，扭曲，压缩图片和撤去应力后的样品图片。

  图4：（a）室内蒸发实验装置图。水凝胶的水接触角图：（b-c）CAN0和CAN2。（d）CAN0和CAN2的饱和水含量和水运输速率。（e）CAN2的红外图片（f） 未添加Ti3C2Tx的CAN2 的红外图片。（g）CAN2的顶层和底层温度。（h）蒸发速率。（i）蒸发焓和蒸发效率。（j）不同盐度时的蒸发速率在以前所作的工作中。（k）蒸发焓降低的原理。

  图5：（a）不同浓度盐水中的蒸发速率。（b）CAN2的质量损失在连续12 h光照时。（c）CAN2的蒸发速率在连续12 h光照时。（d）光照12h后和关灯12h后的蒸发器表面图片。（e）蒸发速率和质量损失在关灯12h后继续进行的蒸发实验。（f）CAN2，CAN/VBS，CAN/SAF，CAN/PSS的蒸发速率。（g）CAN2的蒸发速率在不同光照强度时。（h）蒸发水收集装置。（i）离子浓度的改变在净水前后。（j）重金属离子浓度的改变在净水前后。（k）亚甲基蓝浓度的改变在净水前后。（l）甲基橙浓度的改变在净水前后。

  图6：室外第一天蒸发实验：（a）蒸发速率，（b）光照强度和温度。（c）室外长循环实验。室外第九天蒸发实验：（d）蒸发速率，（e）光照强度和温度。（f）低温测试环境图片。低温环境蒸发实验：（g）蒸发速率，（h）光照强度和温度。（i）CAN2水凝胶样品、挤压、折叠和扭曲图片。（j）室外蒸发和蒸馏水收集装置。（k）光照强度和温度曲线。

  图7：（a）唐南效应诱导的高效耐盐机理。（b）聚阴离子水凝胶层和盐水的初始离子浓度。（c）聚阴离子水凝胶层和盐水之间的唐南分布平衡。（d）进入CAN水凝胶中Na+和Cl-浓度。

  图8：（a）热电联产装置示意图与温差发电原理示意图。（b）Voc的变化。（c）不同光照条件时Voc。（d）不同光照条件的Isc。（e）1太阳光照时Isc。（f）不同光照条件下的功率和功率密度。（g）CAN2水凝胶在1太阳光照时Isc。