eSci||用于可持續滲透能量收集的自適應熱調節和防污相變水凝膠集成太陽能蒸發器

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研究背景

水、能源和糧食是人類生存與社會經濟發展的基石，但其日益短缺正成為全球性挑戰。為應對這些相互關聯的資源危機，聯合國制定了包含零饑餓、清潔飲水和人人獲得可負擔能源在內的可持續發展目標。界面蒸發驅動式滲透能采集技術作為一種有前景的集成方案，能夠利用海水蒸發同時產出淡水和電能，從而建立積極的水-能源-糧食（WEF）紐帶關系。然而，太陽能的間歇性波動（如陰雨天氣）會導致蒸發器性能顯著下降，進而削弱維持高鹽度梯度以穩定發電的能力。同時，蒸發器長期暴露在高鹽度海水或受油污污染的環境中，其表面容易發生鹽結晶和油污附著，這會堵塞水/汽傳輸通道并降低光熱轉換效率，嚴重損害其耐用性。盡管已有研究將相變材料集成到蒸發器中以緩沖太陽能波動，并使用具有Janus（兩面不同）潤濕性的結構來緩解結垢問題，但如何在一個系統中協同實現自適應熱調節和長效抗污，以在復雜動態環境下穩定、高效地耦合水-電聯產，仍是一個重大挑戰。

為應對上述挑戰，本研究開發了一種具有自適應熱調節和抗污功能的封裝相變水凝膠（EPCH）太陽能蒸發器，并將其與反電滲析（RED）系統及水培農業模塊集成，構建了一個協同的水-能源-糧食生產平臺。具體而言，研究通過將含有相變微膠囊的聚乙烯醇水凝膠封裝在具有差異化潤濕特性的聚氨酯海綿殼中，制備了EPCH蒸發器。其上表面的超疏水光熱層確保了高效的光吸收與轉換，而嵌入的相變微膠囊可通過固-液相變存儲和釋放潛熱，補償光照不足時的熱能，使蒸發器在間歇光照下的熱效率比未封裝相變水凝膠的Janus蒸發器（JE）提升了27%。同時，海綿骨架側壁的親水聚多巴胺涂層促進了快速的水/離子傳輸，并賦予材料水下超疏油性，使其能在高達20 wt.%的高鹽度鹽水及油污海水中穩定運行。將EPCH與RED系統耦合后，其持續的界面蒸發能維持高鹽度梯度，使系統的輸出功率密度相比未耦合的RED提升了146%。此外，該平臺還將RED系統產生的低鹽度排放水用于黑麥灌溉，實驗證實其對作物發芽、生長及生物量積累無不利影響，從而實現了水、電、糧的協同生產。這項工作通過材料工程與系統集成，為優化水-能源-糧食紐帶平臺、推動可持續資源管理提供了新的方案。

相關工作以"Phase-change hydrogel-integrated solar evaporator featuring self-adaptive thermal regulation and anti-fouling for sustainable osmotic energy harvesting"為題發表在《eScience》期刊。(中科院一區TOP，JCR一區，IF=36.6）

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研究數據

圖1.(a)EPCH的制造工藝。(b)在太陽能驅動的蒸發過程中同時產生淡水蒸汽和高鹽度鹽水的示意圖。超疏水性防止水被弄濕，從而抑制污染物的附著和鹽晶體的形成。(c)水凝膠網絡和相變材料的結合使PCH能夠通過破壞水中的分子間氫鍵來降低蒸發熱，并通過可逆固-液轉變來調節熱能，從而確保蒸發的效率和連續性。(d)平臺的照片。黑色箭頭表示水流的方向。(e)平臺的操作機構。(F)比較EPCH、JE和非耦合RED的性能的雷達曲線圖，綜合平臺歸一化為每種特性的最大值。

圖2.(a)掃描電子顯微鏡圖像：i.PDA/PU，吸收塔(EPCH-15)，PCH和PCMs相變質譜分析。(b)放置在掌上電腦/PU(上排)和吸收塔(下排)上的5個μL水滴以及位于吸收塔(下排)上的亞甲藍染色水滴的光學圖像。(c)顯示EPCH周圍明亮的水環的照片。(d)環氧氯丙烷周圍的半月面防止環氧氯丙烷與油類直接接觸。(e)PDA/PU水下油接觸角分析。(f)在一個日照和黑暗條件下，不同噴霧劑量制備的EPCHs的水質量變化。(g)樣品的紫外-可見吸收光譜在200-850 nm范圍內。(h)在一個太陽光照射下，EPCH漂浮在海水上的紅外圖像。(i)四個鹵水樣品凈化前后的金屬離子濃度。(j)在交替光(橙色區域，一個太陽)-黑暗(藍色區域，0太陽)條件下，EPCH的表面溫度和(k)界面蒸發過程中水的質量變化。

圖3.(a)基于EPCH耦合RED的增強型發電示意圖。(b)EPCH耦合前后水體鹽度的變化趨勢。(c)在一個日照下補水和不補水時海水的鹽分濃度。插圖中的虛線表示蒸發前和蒸發后5小時的相應水位線。(d)非耦合和EPCH耦合的紅色系統的開路電壓。(e)電流-電壓曲線和(f)EPCH耦合RED的輸出功率。(g)在一次陽光照射下的耐久性測試。(h)EPCH和JE耦合的紅色系統在交變光(橙色區域，一個太陽)-暗(藍色區域，0太陽)條件下的輸出功率。

圖4.(a)太陽驅動的界面蒸發過程中聯合循環(模式一)和環境環流(模式二)的能量平衡。箭頭的大小表示能量的大小。(b)海水淡化過程中JE(左)和EPCH(右)的細分能量流動，在給定光照為1 kW m?2時。(c)JE和EPCH(紅柱)的熱效率和電源軸頸預防爆，輸出基于非耦合和EPCH耦合的紅(藍)柱系統。(d)實際環境條件下RED系統與乙腦和環氧氯丙烷的水/電生產性能。數據采集于2024年6月17日5時至19時，地點為煙臺某地中國。

圖5.(a)海水、地表水和排放水中四種主要離子(鈉、鎂、鉀、鈣)的濃度。(b)描繪用不同類型的水灌溉的黑麥種子生長的照片。(c)不同灌溉類型黑麥的苗高。(d)說明三個模塊之間協同運行的示意圖，展示了平臺同時生產清潔水、綠色電力和農業用水的能力。該平臺由三個模塊組成(分別標為1、2和3，用虛線圈表示)：界面蒸發、發電和水培栽培。

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研究結論

本研究開發并驗證了一種基于封裝相變水凝膠（EPCH）太陽能蒸發器的水-能源-糧食（WEF）協同生產平臺。該平臺通過將具有自適應熱調節和抗污功能的EPCH與反電滲析（RED）系統及水培農業模塊集成，實現了在間歇性光照和受污染等復雜環境下的穩定、可持續運行。能量流分析表明，引入相變水凝膠（PCH）使系統在單位太陽光照下的太陽能-熱能利用效率比未封裝的Janus蒸發器（JE）提升了27%。更重要的是，與EPCH耦合的RED系統，其輸出功率密度相比未耦合配置提升了146%。EPCH通過相變輔助的熱緩沖功能，有效平滑了在間歇光照下蒸發速率的波動，實現了界面蒸發在時間維度上的穩定化；而其抗污染界面設計則有效抑制了鹽結晶和油污附著。兩者協同作用，共同確保了系統在復雜環境條件下的穩定淡水產水和發電。該平臺不僅能夠協同產水發電，其RED模塊產生的低鹽度排放水還被成功地用于黑麥灌溉，實現了對水資源的循環利用，展現了其在推動可持續農業實踐方面的潛力。總而言之，這項研究通過材料工程和系統集成，為解決全球WEF關聯資源短缺問題，提出了一種在效率、適應性和功能性上均得到優化的集成解決方案。

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10.1016/j.esci.2026.100551

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