Page 13 - 《精细化工》2022年第10期
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第 10 期                      李吉焱，等:  太阳能界面蒸发协同发电：进展与展望                                   ·1947·


            电势，在 10.40  ℃温差下获得了 389 mV 的开路电                    发电。虽然低成本的碳基材料表现出良好的发电性
            压（图 2a）。为了产生更大的温差用以协同发电，                           能，但其炭化过程的能耗较大。金属有机框架
            半导体光热材料成为了温差发电的首选。JIANG 等                   [30]   （MOFs）材料由于其具有超亲水性、高孔隙率和带
            设计了一种由 Ni 3 S 2 纳米片阵列垂直排列生长的宽                      电表面等特点在 SIE 协同发电领域应用效果优异，
            带半导体泡沫（Ni 3 S 2 /NF）。用热电模块替换绝缘体                    但在水环境中的稳定性有待提高。基于此，LI 等                    [34]
            泡沫层构建具有协同发电功能的 SIE。在太阳照射                           在聚偏氟乙烯（PVDF）衬底上制备了一种由聚苯胺
            下，将 Ni 3 S 2 /NF 放置在热电模块表面上，使热电模                   （PANI）涂覆[Cu 2 (OH)(BTC)(H 2 O)] n •2H 2 O（BTC
            块上下两侧产生了明显温差，实现了稳定的电力传                             为 1,3,5-苯三甲酸）的金属有机骨架化合物纳米棒阵
            输。LI 等    [31] 利用具有高光吸收性的纺织物覆盖在                    列复合膜（CBAP）。该复合膜具有良好的水蒸发驱
            TE  模块上方，制备了一个二维太阳能吸收器，该                           动发电和高效的太阳能界面蒸发特性，持续产生高达
            吸收器的剩余热量被直接传导到一个热电装置上进                             709.3 mV 的电压，最大输出功率密度为 15.377 mW/m           2
            行发电，混合器件在外部电阻为 4  Ω 时的功率密度                         （图 2b）。JIANG 等    [35] 受人类皮肤热调节的启发，设
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            为 1.2 W/m ，如果整体水温从 25  ℃降低到 10  ℃，                 计了一种掺杂钨的二氧化钒纳米颗粒和 PVDF 的聚合
                                                        2
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            短路电流密度将从 9.51 A/m 增加到 16.69 A/m 。                  物薄膜，由于 PVDF 层的热释电效应，开路电压的最
            HAN 等   [32] 合成了一种具有多环共轭结构的有机小                     大输出值为 30 V。
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            分子酞菁衍生物，在 5 kW/m 太阳光照射下，温差                         1.1.3   热电化学效应
            为 10.2  ℃时，最大开路电压为 221 mV。结合热电                         热电化学电池是一种由热电化学过程驱动的高
            模块的太阳能蒸汽发生器，由于热电模块与水体直                             效热电池，可通过依赖于温度的氧化还原反应或离子
            接接触，温差较大，虽有利于发电但会导致水的蒸                             扩散将低级热量转化为电能            [36] 。SHEN 等 [37] 利用热电
            发率降低，很难平衡水的蒸发和发电。因此，迫切                             化学氧化还原反应与蒸发系统相结合，设计了一种开
            需要设计新的集成结构和太阳能光热材料，以平衡                             放式的热电化学电池，在太阳光照射下，位于气-液
            输出功率密度和水蒸发率。                                       界面的电极和装置底部的电极会产生温差，从而产生
            1.1.2   热释电效应                                      氧化还原反应电位差，石墨毡作为电极和太阳能吸收
                 热释电效应是由于温度的变化，使绝缘体内出                          器，由于自然蒸发过程，顶部电极温度低于底部电极，
            现结构上的电荷中心相对位移，使它们的自发极化                             产生的开路电压为负值，当有光源照射时，顶部电极
            强度发生变化产生电荷。在对光热材料进行的太阳                             温度升高，最终高于底部电极温度，开路电压值变为
                                                                              2
            能界面蒸发过程中，尤其是具有微纳米光热材料的                             正值。在 1 kW/m 太阳光照下，该装置材料在水溶液
                                                                                       2
            内部，盐溶液在太阳能蒸发驱动力的作用下，会在                             中的蒸发速率为 1.1 kg/(m ·h)，输出功率峰值为
                                                                       2
            盐溶液与材料内部孔道之间的界面上产生双电层，                             1.3 mW/m ，而在无日照条件下输出功率峰值为
                                                                       2
            促进了盐溶液中电解质的定向输送，形成电势。根                             5.3 mW/m （图 2c）。太阳能界面蒸发协同发电所利
            据传统的势流理论，光热材料在蒸发过程中产生驱                             用的热量属于低级热量，目前的发电方式难以同时满
            动势能需要满足以下几点：（1）良好的亲水性通道；                           足装置对效率、速率和灵活性的要求。热电化学方法
            （2）微通道的尺寸必须满足离子的渗透性，并接近                            产电效率较高，但是具有高电流密度的电极是能量转
            或小于德拜长度；（3）带电表面。基于上述三点，                            换过程中的主要限制因素。因此，还需要更深入的探
            石墨烯、炭黑和碳纳米管            [33] 被广泛应用于 SIE 协同          索 SIE 协同发电过程中热能有效利用的潜力。










                                                    其中，α-CD 为 α-环糊精

                     图 2   热电效应发电装置      [29] （a）、热释电效应发电装置       [34] （b）和热电化学效应发电装置        [37] （c）
            Fig. 2    Thermoelectric effect power  generation device [29]   (a), pyroelectric effect power generation device [34]  (b) and
                    thermoelectric chemical effect power generation device [37]  (c)

            1.2   机械发电效应                                       料发生形变，内部的电子由于摩擦带电和静电耦合
            1.2.1   摩擦电效应                                      产生了电位差，进而输出电流。LI 等               [38] 开发了一种
                 摩擦电效应是指材料外部受到物理作用力使材                          全纤维素基界面蒸汽发生器，引入了自驱动的摩擦
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