Water Research|MOF -303水凝膠中太陽(yáng)能界面蒸發(fā)與水伏發(fā)電的協(xié)同作用

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研究背景

由于快速城市化、人口增長(zhǎng)和氣候變化的加速影響，全球?qū)Φ男枨蟪掷m(xù)上升。許多地區(qū)，特別是中東和北非等干旱和半干旱地區(qū)，嚴(yán)重缺水，這促使海水淡化技術(shù)的大規(guī)模部署。在最廣泛使用的方法中，反滲透和熱蒸餾仍然是主要選擇。然而，這些技術(shù)能源密集，往往依賴化石燃料，導(dǎo)致高昂的運(yùn)營(yíng)成本和大量的碳排放。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)可持續(xù)、高能效、適用于離網(wǎng)或資源有限社區(qū)的替代凈水策略。

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)最近已成為分散式海水淡化的一種有前途的替代方案。通過(guò)直接利用太陽(yáng)能在空氣-水界面蒸發(fā)水分，這種方法有效地將鹽和其他污染物留在蒸發(fā)體之外。與傳統(tǒng)的整體加熱過(guò)程不同，界面蒸發(fā)采用局部加熱，光熱材料將太陽(yáng)能集中在界面上，而不是分布在整個(gè)水體中。這種方法減少了向環(huán)境和散裝水的熱損失，從而實(shí)現(xiàn)卓越的能源效率。已有報(bào)道顯示超過(guò)90%的蒸發(fā)效率，使界面太陽(yáng)能蒸發(fā)成為低成本、環(huán)保水凈化的一個(gè)有吸引力的候選方案。

然而，現(xiàn)有的SDIE系統(tǒng)往往難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高蒸發(fā)率和高電能輸出，尤其是在海水等高鹽環(huán)境中。為此，本研究提出了一種新型混合水凝膠材料MOF-303/PVA-PPy，通過(guò)集成太陽(yáng)能界面蒸發(fā)與蒸發(fā)誘導(dǎo)的水伏發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了在海水淡化過(guò)程中同步發(fā)電，為零碳水電聯(lián)產(chǎn)提供了可行路徑。

相關(guān)成果以《Synergy of solar interfacial evaporation and hydrovoltaics in MOF-303 hydrogel for simultaneous desalination and electricity generation 》為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Water Research》上（中科一區(qū)，IF=12.4）

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研究結(jié)論

本研究成功開(kāi)發(fā)了一種名為MPPG的混合水凝膠材料，將MOF-303晶體嵌入PVA-PPy水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能界面蒸發(fā)與水伏發(fā)電的協(xié)同耦合。在1個(gè)太陽(yáng)光照下，MPPG在人工海水中實(shí)現(xiàn)了3.02 kg m?2 h?1的高蒸發(fā)速率和1.12 V的開(kāi)路電壓，同時(shí)產(chǎn)出的淡水符合WHO飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

MPPG的性能提升歸因于以下機(jī)制：

光熱轉(zhuǎn)換與蒸發(fā)增強(qiáng)：PPy提供高光吸收（>92%），MOF-303和PVA網(wǎng)絡(luò)協(xié)同降低蒸發(fā)焓（1911 kJ kg?1），提升蒸發(fā)速率。

離子選擇性傳輸：MOF-303的亞納米通道和高表面電荷（zeta電位=-25 mV）在蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)下形成定向離子流，產(chǎn)生流動(dòng)電勢(shì)。

表面梯度疏水涂層：OTS涂層形成溫度梯度，增強(qiáng)離子熱擴(kuò)散，同時(shí)抑制鹽結(jié)晶，保障長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

通過(guò)數(shù)值模型與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)分析了離子濃度、風(fēng)速、濕度、溫度等環(huán)境因素對(duì)發(fā)電性能的影響，發(fā)現(xiàn)電壓在0.3 mol/L NaCl濃度時(shí)達(dá)到峰值。MPPG在72小時(shí)內(nèi)性能保持91%以上，衰減率低于0.14%/h，展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性與可擴(kuò)展性。該研究為零碳、高效、可擴(kuò)展的海水淡化與分布式發(fā)電提供了一種新型集成解決方案，適用于沿海島嶼和偏遠(yuǎn)地區(qū)。

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研究數(shù)據(jù)

圖1.(a) MPPG結(jié)構(gòu)示意圖，顯示PVA-PPy網(wǎng)絡(luò)、MOF-303分布及OTS梯度涂層。(b) MPPG制備流程，包括超聲分散、澆鑄、凝膠化與凍融循環(huán)。

圖2.(a) MOF-303的SEM圖像，顯示50–500 nm方形晶體。

(b) XRD圖譜，顯示典型MOF-303晶體結(jié)構(gòu)。(c) N?吸附-脫附等溫線，顯示高比表面積（783.34 m2 g?1）。(d) 孔徑分布，主峰位于0.7–0.8 nm。(e) Zeta電位隨pH變化，在海水pH=8時(shí)達(dá)-25 mV。

圖3.(a) MPPG的SEM圖像與EDS元素分布圖，顯示MOF-303均勻分散。(b) FTIR光譜，確認(rèn)MOF-303與PVA-PPy的化學(xué)結(jié)合。(c) 光吸收譜，顯示>92%的寬波段吸收。(d) 不同OTS噴涂次數(shù)下的接觸角，顯示從超親水到疏水的梯度變化。

圖4.(a) MPPG在1個(gè)太陽(yáng)下的蒸發(fā)速率與表面溫度變化。(b) DSC曲線，顯示MPPG中水的蒸發(fā)焓降低。(c,d) MPPG與PVA-PPy水凝膠的電壓與電流密度對(duì)比。(e) OTS噴涂前后蒸發(fā)速率與電壓提升。(f) MOF-303含量對(duì)電壓與蒸發(fā)速率的影響。(g) MPPG工作機(jī)制示意圖。(h,i) MD模擬顯示Na?與Cl?在MOF-303通道中的擴(kuò)散行為。

圖5.(a,b) 厚度與平面尺寸對(duì)蒸發(fā)速率與電壓的影響。(c) 電極位置對(duì)電壓輸出的影響。(d) 極性反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電壓來(lái)源為離子流動(dòng)。

圖6.(a) NaCl濃度對(duì)電壓的影響，實(shí)驗(yàn)與模擬一致。(b) 模擬電流與電導(dǎo)率隨濃度變化。(c) 壓力梯度對(duì)電壓與電流的線性影響。(d–f) 風(fēng)速、濕度、溫度對(duì)性能的影響。(g,h) 模擬不同溫度下的電勢(shì)與電荷分布。

圖7.(a) MPPG與PVA-PPy在72小時(shí)鹽結(jié)晶對(duì)比。(b) MPPG在人工海水中72小時(shí)的電壓與蒸發(fā)穩(wěn)定性。(c,d) 串聯(lián)與并聯(lián)連接實(shí)現(xiàn)電壓與電流放大。

圖8.(a) 室外條件下MPPG的蒸發(fā)速率與電壓變化。(b) 蒸發(fā)前后離子濃度對(duì)比，顯示淡水符合WHO標(biāo)準(zhǔn)。

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https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124943

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