水凝膠是一種具有豐富官能團、三維互通多孔結構和大的比表面積優(yōu)勢的高分子材料，近年來被廣泛應用于太陽能界面蒸發(fā)領域。在太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)中將多孔水凝膠與高效光熱材料相結合，有望增強光熱轉換，降低蒸發(fā)焓，促進水的傳輸。新疆大學劉雄團隊在水凝膠基太陽能界面蒸發(fā)領域取得了一系列研究成果，相關論文發(fā)表于Nano Energy, Small, Chem. Eng. J.上，工作總結如下：

【Nano Energy】

利用殼聚糖（CS）作為網絡結構，與含有可電離磺酸基（-SO3-）的聚電解質和PAM互穿，形成聚陰離子電解質水凝膠。分別研究不同種類磺酸鈉單體（2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸鈉（NaAMPS），乙烯基磺酸鈉（VBS），烯丙基磺酸鈉（ALS）或者聚苯乙烯磺酸鈉（PSS））和不同單體含量對鹽水中蒸發(fā)速率的影響。結果表明，隨著水凝膠固定在供水層中的反離子Na+含量的升高，水凝膠的抗鹽能力呈現(xiàn)增高的趨勢。在20 wt% NaCl溶液中，NaAMPS 含量占總單體量為10%的水凝膠展示出2.23 kg m-2 h-1的蒸發(fā)率和98%的蒸發(fā)效率。借助于Ti3C2TX優(yōu)異的光熱轉換能力，水凝膠與發(fā)電片組裝的TEG裝置在1 kW m-2輻照下短路電流（Isc）數值可達15.2 mA，最大輸出功率密度可達0.37 W m-2。

其成果以題為“ Hydrogel solar evaporator with a sodium sulfonate electrolyte backbone enabling continuous high-salinity desalination and energy generation“在國際知名期刊Nano Energy上發(fā)表。本文第一作者為荊鑫瑜，通訊作者為劉雄和劉芳菲副教授，通訊單位為新疆大學。

【Small】

采用靜電吸引法制備CQDs/Ti3C2TX復合光熱材料，并將CQDs/Ti3C2TX引入到羧甲基纖維素鈉/聚丙烯酰胺（CMC/PAM）網絡中，制備用于高效太陽能水蒸發(fā)和溫差發(fā)電（TEG）的多功能水凝膠。利用紫外-可見-近紅外（UV-Vis-NIR）方法研究CQDs與Ti3C2TX的光熱協(xié)同作用。在1 min內，CQDs/Ti3C2TX光熱材料的表面溫度升至90.7 ℃。在15 min內，復合水凝膠的表面溫度升至40.2 ℃，且其展示出1.93 kg m-2 h-1的蒸發(fā)率和84%的蒸發(fā)效率。將該水凝膠作為光熱轉換模塊與溫差發(fā)電模塊進行組合，該裝置在1太陽光（1 kW m-2）照射下的最大開路電壓（Voc）值為124.5 mV，最大輸出功率密度為 230.7 mW m-2。

其成果以題為“ Synergistic Effect Between 0D CQDs and 2D MXene to Enhance the Photothermal Conversion of Hydrogel Evaporators for Efficient Solar Water Evaporation, Photothermal Sensing and Electricity Generation“在國際知名期刊Small上發(fā)表。本文第一作者為荊鑫瑜，通訊作者為劉雄和劉芳菲副教授，通訊單位為新疆大學。

【Chem. Eng. J.】

水資源短缺迫使人們開發(fā)高效的水凈化技術。太陽能驅動的界面蒸發(fā)技術可通過利用太陽能生產清潔水來緩解全球水危機。開發(fā)高性能材料有助于提高光熱轉換效率。水凝膠具有良好的吸水性、保水性和水傳輸性，已成為太陽能驅動水凈化的高效的材料平臺。水凝膠結構的合理設計可以降低傳熱過程中的熱量損失，提高光熱轉換效率。該成果總結了基于水凝膠的太陽能蒸發(fā)器的最新進展。水凝膠材料通常通過化學或物理交聯(lián)來制備。還強調了提高水蒸發(fā)效率的策略，主要涉及蒸發(fā)焓的降低、界面的光熱管理、高度互連的孔結構和抗鹽性。將水凝膠與光熱材料（包括碳基材料、高分子材料、半導體材料、等離子體材料和雜化材料）結合，制備水凝膠基太陽能蒸發(fā)器。最后，討論了基于水凝膠的太陽能蒸發(fā)器用于水凈化的挑戰(zhàn)。

其成果以題為“ Hydrogels as promising platforms for solar-driven water evaporators“在國際知名期刊Chem. Eng. J.上發(fā)表。本文第一作者為荊鑫瑜，通訊作者為劉雄和劉芳菲副教授，通訊單位為新疆大學。

【文獻鏈接】

[1]Xinyu Jing, Fangfei Liu*, Yancai Li, Lizhi Chen, Mengyao Su, Tursun Abdiryim, Feng Xu, Jiangan You, Yun Tan, Xiong Liu*, Hydrogel solar evaporator with a sodium sulfonate electrolyte backbone enabling continuous high-salinity desalination and energy generation, Nano Energy 142 (2025) 111182.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111182

[2]Xinyu Jing, Lizhi Chen, Yancai Li, Hongyan Yin, Jiaying Chen, Mengyao Su, Fangfei Liu,* Tursun Abdiryim, Feng Xu, Jiangan You, and Xiong Liu*, Synergistic Effect Between 0D CQDs and 2D MXene to Enhance the Photothermal Conversion of Hydrogel Evaporators for Efficient Solar Water Evaporation, Photothermal Sensing and Electricity Generation, Small 2024, 2405587.

https://doi.org/10.1002/smll.202405587

[3]Xinyu Jing, Fangfei Liu*, Tursun Abdiryim, Xiong Liu*, Hydrogels as promising platforms for solar-driven water evaporators, Chemical Engineering Journal 479 (2024) 147519.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147519

【團隊介紹】

劉雄：新疆大學，副教授，碩導，1991年出生。學習經歷：2010.09-2014.06 武漢理工大學（本）；2016.09-2021.06 四川大學（碩博連讀）。研究方向：水凝膠的制備及在能源、催化、環(huán)境等領域的應用。至今以第一/通訊作者在Prog. Polym. Sci., Coord. Chem. Rev., Energy Storage Mater., Nano Energy, Adv. Compos. Hybrid Mater., Small, Chem. Eng. J., ACS Materials Lett., ACS Appl. Mater. Interfaces, Carbohydr. Polym., Mater. Today Phys.等刊物上發(fā)表SCI收錄論文40余篇，高被引論文5篇，論文被引用2500余次，H指數26。

來源：高分子科技