Advanced Energy Materials:高效水电联产:太阳能驱动海水淡化与温差-盐差发电耦合

全球约五分之一的人口面临着淡水供给不足的问题。太阳能海水淡化具有低成本、环境友好等优势,是一种清洁、便携的水处理技术。特别是近年来兴起的界面光热转换技术使太阳能海水淡化迎来了崭新的发展机遇。在界面光热转换技术中,光热材料将太阳能集中在蒸发表面,可现实蒸发速率的显著提升。与此同时,蒸发面存在的高温、高浓度卤水与下层低温、低浓度海水之间建立了可观的温度和盐浓度耦合梯度,具备发电潜能,但目前界面蒸发技术尚未充分利用这部分能量。

鉴于此,华中科技大学武汉光电国家研究中心周军教授团队在前期的研究工作中,提出利用反向电渗析(RED)技术提取太阳能驱动界面蒸发过程中形成的盐差能,首次实现了水电联产,获得了1.2 kg m−2 h−1的水蒸发速率和近1 W m−2的发电功率(Energy Environ. Sci., 2017,10, 1923-1927)。在此基础上,近日该团队提出将RED与热化学电池(TGC)技术耦合,首次实现了盐差-温差能耦合发电。更重要的是RED和TGC之间存在离子传输协同效应,通过设计复合电极将二者结合,极大地抑制了彼此氧化还原反应形成的界面浓度极化,实现了1+1>2的效果,即二者协同工作时能够大幅提升彼此的输出功率。进一步地,该团队设计了原型器件,将RED与TGC与界面蒸发耦合,实现了1.4 kg m−2 h−1的水蒸发速率和1.11 W m−2的发电功率。此外,RED和TGC结合后产生的协同效应具有普适性,通过更换TGC的氧化还原对等优化设计,有望实现水电联产性能的进一步提升,并满足更多应用场景的需求。相关结果发表在Advanced Energy Materials上(论文信息附后)。

该团队硕士研究生王卉为本工作的第一作者,周军教授和段将将副教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金(51872101、52002139、52025027)、华中科技大学学术前沿青年团队(2017QYTD11)等经费支持。

论文信息:

Simultaneous Solar Steam and Electricity Generation from Synergistic Salinity‐Temperature Gradient

Hui Wang, Wenke Xie, Boyang Yu, Bei Qi, Rong Liu, Xinyan Zhuang, Shiyou Liu, Pei Liu, Jiangjiang Duan*, Jun Zhou*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202100481