eSci||用于可持续渗透能量收集的自适应热调节和防污相变水凝胶集成太阳能蒸发器|吸收塔|太阳能蒸发器|水凝胶|离子|自适应

研究背景

水、能源和粮食是人类生存与社会经济发展的基石，但其日益短缺正成为全球性挑战。为应对这些相互关联的资源危机，联合国制定了包含零饥饿、清洁饮水和人人获得可负担能源在内的可持续发展目标。界面蒸发驱动式渗透能采集技术作为一种有前景的集成方案，能够利用海水蒸发同时产出淡水和电能，从而建立积极的水-能源-粮食（WEF）纽带关系。然而，太阳能的间歇性波动（如阴雨天气）会导致蒸发器性能显著下降，进而削弱维持高盐度梯度以稳定发电的能力。同时，蒸发器长期暴露在高盐度海水或受油污污染的环境中，其表面容易发生盐结晶和油污附着，这会堵塞水/汽传输通道并降低光热转换效率，严重损害其耐用性。尽管已有研究将相变材料集成到蒸发器中以缓冲太阳能波动，并使用具有Janus（两面不同）润湿性的结构来缓解结垢问题，但如何在一个系统中协同实现自适应热调节和长效抗污，以在复杂动态环境下稳定、高效地耦合水-电联产，仍是一个重大挑战。

为应对上述挑战，本研究开发了一种具有自适应热调节和抗污功能的封装相变水凝胶（EPCH）太阳能蒸发器，并将其与反电渗析（RED）系统及水培农业模块集成，构建了一个协同的水-能源-粮食生产平台。具体而言，研究通过将含有相变微胶囊的聚乙烯醇水凝胶封装在具有差异化润湿特性的聚氨酯海绵壳中，制备了EPCH蒸发器。其上表面的超疏水光热层确保了高效的光吸收与转换，而嵌入的相变微胶囊可通过固-液相变存储和释放潜热，补偿光照不足时的热能，使蒸发器在间歇光照下的热效率比未封装相变水凝胶的Janus蒸发器（JE）提升了27%。同时，海绵骨架侧壁的亲水聚多巴胺涂层促进了快速的水/离子传输，并赋予材料水下超疏油性，使其能在高达20 wt.%的高盐度盐水及油污海水中稳定运行。将EPCH与RED系统耦合后，其持续的界面蒸发能维持高盐度梯度，使系统的输出功率密度相比未耦合的RED提升了146%。此外，该平台还将RED系统产生的低盐度排放水用于黑麦灌溉，实验证实其对作物发芽、生长及生物量积累无不利影响，从而实现了水、电、粮的协同生产。这项工作通过材料工程与系统集成，为优化水-能源-粮食纽带平台、推动可持续资源管理提供了新的方案。

相关工作以"Phase-change hydrogel-integrated solar evaporator featuring self-adaptive thermal regulation and anti-fouling for sustainable osmotic energy harvesting"为题发表在《eScience》期刊。(中科院一区TOP，JCR一区，IF=36.6）

研究数据

图1.(a)EPCH的制造工艺。(b)在太阳能驱动的蒸发过程中同时产生淡水蒸汽和高盐度盐水的示意图。超疏水性防止水被弄湿，从而抑制污染物的附着和盐晶体的形成。(c)水凝胶网络和相变材料的结合使PCH能够通过破坏水中的分子间氢键来降低蒸发热，并通过可逆固-液转变来调节热能，从而确保蒸发的效率和连续性。(d)平台的照片。黑色箭头表示水流的方向。(e)平台的操作机构。(F)比较EPCH、JE和非耦合RED的性能的雷达曲线图，综合平台归一化为每种特性的最大值。

图2.(a)扫描电子显微镜图像：i.PDA/PU，吸收塔(EPCH-15)，PCH和PCMs相变质谱分析。(b)放置在掌上电脑/PU(上排)和吸收塔(下排)上的5个μL水滴以及位于吸收塔(下排)上的亚甲蓝染色水滴的光学图像。(c)显示EPCH周围明亮的水环的照片。(d)环氧氯丙烷周围的半月面防止环氧氯丙烷与油类直接接触。(e)PDA/PU水下油接触角分析。(f)在一个日照和黑暗条件下，不同喷雾剂量制备的EPCHs的水质量变化。(g)样品的紫外-可见吸收光谱在200-850 nm范围内。(h)在一个太阳光照射下，EPCH漂浮在海水上的红外图像。(i)四个卤水样品净化前后的金属离子浓度。(j)在交替光(橙色区域，一个太阳)-黑暗(蓝色区域，0太阳)条件下，EPCH的表面温度和(k)界面蒸发过程中水的质量变化。

图3.(a)基于EPCH耦合RED的增强型发电示意图。(b)EPCH耦合前后水体盐度的变化趋势。(c)在一个日照下补水和不补水时海水的盐分浓度。插图中的虚线表示蒸发前和蒸发后5小时的相应水位线。(d)非耦合和EPCH耦合的红色系统的开路电压。(e)电流-电压曲线和(f)EPCH耦合RED的输出功率。(g)在一次阳光照射下的耐久性测试。(h)EPCH和JE耦合的红色系统在交变光(橙色区域，一个太阳)-暗(蓝色区域，0太阳)条件下的输出功率。

图4.(a)太阳驱动的界面蒸发过程中联合循环(模式一)和环境环流(模式二)的能量平衡。箭头的大小表示能量的大小。(b)海水淡化过程中JE(左)和EPCH(右)的细分能量流动，在给定光照为1 kW m−2时。(c)JE和EPCH(红柱)的热效率和电源轴颈预防爆，输出基于非耦合和EPCH耦合的红(蓝)柱系统。(d)实际环境条件下RED系统与乙脑和环氧氯丙烷的水/电生产性能。数据采集于2024年6月17日5时至19时，地点为烟台某地中国。

图5.(a)海水、地表水和排放水中四种主要离子(钠、镁、钾、钙)的浓度。(b)描绘用不同类型的水灌溉的黑麦种子生长的照片。(c)不同灌溉类型黑麦的苗高。(d)说明三个模块之间协同运行的示意图，展示了平台同时生产清洁水、绿色电力和农业用水的能力。该平台由三个模块组成(分别标为1、2和3，用虚线圈表示)：界面蒸发、发电和水培栽培。

研究结论

本研究开发并验证了一种基于封装相变水凝胶（EPCH）太阳能蒸发器的水-能源-粮食（WEF）协同生产平台。该平台通过将具有自适应热调节和抗污功能的EPCH与反电渗析（RED）系统及水培农业模块集成，实现了在间歇性光照和受污染等复杂环境下的稳定、可持续运行。能量流分析表明，引入相变水凝胶（PCH）使系统在单位太阳光照下的太阳能-热能利用效率比未封装的Janus蒸发器（JE）提升了27%。更重要的是，与EPCH耦合的RED系统，其输出功率密度相比未耦合配置提升了146%。EPCH通过相变辅助的热缓冲功能，有效平滑了在间歇光照下蒸发速率的波动，实现了界面蒸发在时间维度上的稳定化；而其抗污染界面设计则有效抑制了盐结晶和油污附着。两者协同作用，共同确保了系统在复杂环境条件下的稳定淡水产水和发电。该平台不仅能够协同产水发电，其RED模块产生的低盐度排放水还被成功地用于黑麦灌溉，实现了对水资源的循环利用，展现了其在推动可持续农业实践方面的潜力。总而言之，这项研究通过材料工程和系统集成，为解决全球WEF关联资源短缺问题，提出了一种在效率、适应性和功能性上均得到优化的集成解决方案。