Water Research|MOF -303水凝膠中太陽能界面蒸發與水伏發電的協同作用

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研究背景

由于快速城市化、人口增長和氣候變化的加速影響，全球對淡水的需求持續上升。許多地區，特別是中東和北非等干旱和半干旱地區，嚴重缺水，這促使海水淡化技術的大規模部署。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，這些技術能源密集，往往依賴化石燃料，導致高昂的運營成本和大量的碳排放。因此，迫切需要開發可持續、高能效、適用于離網或資源有限社區的替代凈水策略。

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

然而，現有的SDIE系統往往難以同時實現高蒸發率和高電能輸出，尤其是在海水等高鹽環境中。為此，本研究提出了一種新型混合水凝膠材料MOF-303/PVA-PPy，通過集成太陽能界面蒸發與蒸發誘導的水伏發電，實現了在海水淡化過程中同步發電，為零碳水電聯產提供了可行路徑。

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

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研究結論

本研究成功開發了一種名為MPPG的混合水凝膠材料，將MOF-303晶體嵌入PVA-PPy水凝膠網絡中，實現了太陽能界面蒸發與水伏發電的協同耦合。在1個太陽光照下，MPPG在人工海水中實現了3.02 kg m?2 h?1的高蒸發速率和1.12 V的開路電壓，同時產出的淡水符合WHO飲用水標準。

MPPG的性能提升歸因于以下機制：

光熱轉換與蒸發增強：PPy提供高光吸收（>92%），MOF-303和PVA網絡協同降低蒸發焓（1911 kJ kg?1），提升蒸發速率。

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）在蒸發驅動下形成定向離子流，產生流動電勢。

表面梯度疏水涂層：OTS涂層形成溫度梯度，增強離子熱擴散，同時抑制鹽結晶，保障長期穩定運行。

通過數值模型與實驗驗證，系統分析了離子濃度、風速、濕度、溫度等環境因素對發電性能的影響，發現電壓在0.3 mol/L NaCl濃度時達到峰值。MPPG在72小時內性能保持91%以上，衰減率低于0.14%/h，展現出優異的穩定性與可擴展性。該研究為零碳、高效、可擴展的海水淡化與分布式發電提供了一種新型集成解決方案，適用于沿海島嶼和偏遠地區。

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研究數據

圖1.(a) MPPG結構示意圖，顯示PVA-PPy網絡、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。

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晶體結構。(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時達-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MOF-303與PVA-PPy的化學結合。(c) 光吸收譜，顯示>92%的寬波段吸收。(d) 不同OTS噴涂次數下的接觸角，顯示從超親水到疏水的梯度變化。

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

圖5.(a,b) 厚度與平面尺寸對蒸發速率與電壓的影響。(c) 電極位置對電壓輸出的影響。(d) 極性反轉實驗驗證電壓來源為離子流動。

圖6.(a) NaCl濃度對電壓的影響，實驗與模擬一致。(b) 模擬電流與電導率隨濃度變化。(c) 壓力梯度對電壓與電流的線性影響。(d–f) 風速、濕度、溫度對性能的影響。(g,h) 模擬不同溫度下的電勢與電荷分布。

圖7.(a) MPPG與PVA-PPy在72小時鹽結晶對比。(b) MPPG在人工海水中72小時的電壓與蒸發穩定性。(c,d) 串聯與并聯連接實現電壓與電流放大。

圖8.(a) 室外條件下MPPG的蒸發速率與電壓變化。(b) 蒸發前后離子濃度對比，顯示淡水符合WHO標準。

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

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