利用高熵钙钛矿气凝胶实现高效大气水能量转换的便携设备

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高熵钙钛矿 气凝胶 太阳能蒸发 水收集 氧气析出反应

学术背景

全球范围内的水资源和能源短缺问题在干旱和偏远地区尤为严重，尤其是在气候变化加剧的背景下，这一问题变得更加紧迫。传统的水资源和能源获取方式，如海水淡化或大规模电力输送，不仅成本高昂，技术复杂，且难以在资源匮乏的地区实施。因此，开发一种可持续的技术，能够从大气中直接获取水分并将其转化为清洁水和能源，成为了当前研究的重点。大气水分收集（Atmospheric Water Harvesting, AWH）技术通过利用自然界的露水和雾气，提供了一种分散式的解决方案，能够在干旱和偏远地区提供清洁水资源，同时减少对传统集中式系统的依赖。然而，如何将AWH技术与能源生成相结合，特别是通过电催化水分解产生氢气和氧气，仍然是一个具有挑战性的课题。

论文来源

该研究由Yi Lu、Zongze Li、Guangyao Zhang、Hao Zhang、Deqi Fan、Ming Zhao、Han Zhu和Xiaofei Yang共同完成，他们分别来自南京林业大学、江南大学和新加坡国立大学。论文于2024年11月25日被接受，并发表在《Advanced Fiber Materials》期刊上，DOI为10.1007/s42765-024-00504-7。

研究流程

1. 材料制备

研究首先通过静电纺丝和高温煅烧技术合成了高熵钙钛矿纤维La(Cr0.2Mn0.2Fe0.2Co0.2Ni0.2)O3（简称LB5O3）。具体步骤如下： - 前驱体溶液制备：将La(NO3)3·6H2O、Cr(NO3)3·9H2O、Mn(NO3)2·4H2O、Fe(NO3)3·9H2O、Co(NO3)2·6H2O和Ni(NO3)2·6H2O与PVP混合，加入DMF溶剂，搅拌并超声处理。 - 静电纺丝：将前驱体溶液通过G20针头以0.8 µl/min的速度喷射，电压为15 kV，收集纤维后在真空干燥箱中干燥，并在300°C预烧结1小时，然后在700°C煅烧2小时。 - 气凝胶制备：将细菌纤维素分散液与聚乙烯醇混合，加入HCl和戊二醛，经过冷冻和原位聚合后，冻干制备气凝胶，并将其浸泡在LiCl溶液中以增强吸湿性。

2. 设备设计与组装

研究设计了一种集成设备，能够通过AWH和电催化水分解同时生成清洁水和能源。设备的主要组件包括： - 透明金字塔形罩：用于捕获大气水分。 - 水箱：用于储存收集的水分。 - 气凝胶电极：由LB5O3纤维和LiCl气凝胶组成，用于电催化水分解。 - 气体收集器：用于分离和收集生成的氢气和氧气。

3. 性能测试

研究对材料的吸湿性、光热转换效率以及电催化性能进行了详细测试： - 吸湿性测试：在不同相对湿度（RH）条件下，测试气凝胶的水分吸收能力，结果显示CA-LB5O3-LiCl气凝胶在90% RH下的吸湿率高达1.44 g/g。 - 光热转换测试：在1太阳光强（0.1 W/cm2）下，LB5O3纤维的光热转换效率使其表面温度迅速升至38°C，水蒸发速率达到2.1 kg/m2·h。 - 电催化性能测试：在碱性环境中，LB5O3纤维表现出优异的氧析出反应（OER）活性，过电位仅为290 mV，Tafel斜率为54.4 mV/dec。

主要结果

1. 高熵钙钛矿纤维的结构与性能

通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析，LB5O3纤维显示出典型的钙钛矿结构，且纤维表面具有丰富的纳米孔隙。EDX元素映射显示La、Cr、Mn、Fe、Co、Ni和O元素均匀分布在纤维中，未出现团聚现象。

2. 气凝胶的吸湿与释水性能

CA-LB5O3-LiCl气凝胶在低湿度条件下表现出优异的吸湿性能，其水分吸收速率在30% RH下为0.58 g/g·h，在90% RH下达到1.44 g/g·h。在太阳光照射下，气凝胶能够快速释放吸收的水分，水蒸发速率显著提高。

3. 电催化水分解性能

LB5O3纤维在OER反应中表现出较低的过电位和Tafel斜率，表明其具有高效的催化活性。户外实验进一步验证了该设备在干旱环境中的实际应用潜力，能够同时生成氢气和氧气，且效率接近理论值。

结论与研究意义

该研究成功开发了一种便携式设备，能够通过高熵钙钛矿气凝胶从大气中捕获水分，并利用太阳能驱动水蒸发和电催化水分解，同时生成清洁水和绿色能源。这一技术为干旱和偏远地区提供了一种可持续的水资源和能源解决方案，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

  1. 高熵钙钛矿纤维的优异性能：通过多金属协同效应，LB5O3纤维在OER反应中表现出高效的催化活性。
  2. 气凝胶的高效吸湿与释水：CA-LB5O3-LiCl气凝胶在低湿度条件下仍能高效吸收水分，并在太阳光照射下快速释放。
  3. 集成设备的创新设计：设备结合了AWH、光热蒸发和电催化水分解技术，实现了水与能源的同步生成。

该研究不仅为解决全球水资源和能源短缺问题提供了新的技术路径，也为高熵材料在能源转换领域的应用开辟了新的研究方向。