研究背景

全球PV發電的總裝機能力已超過1200 GW，直到2023年，并繼續穩定增長，PV在未來的能源景觀中發揮了重要作用。PV面板的輸出性能通常取決于溫度。 也就是說，已經驗證了先進的冷卻措施，以提高其產量10％至15％。同時，這些冷卻策略可以延長光伏面板的使用壽命。因此，有效的冷卻設計對于PV系統的大規模部署至關重要。主動熱管理技術通過強制對流過程顯示出在冷卻光伏面板中的有效性。但是，它們通常需要復雜的外部設備，從而導致額外的成本和功耗。相比之下，已經開發了用于PV冷卻的被動熱管理技術，例如輻射冷卻，吸附冷卻和相變材料。值得注意的是，采用界面蒸發技術以降低PV面板的表面溫度，同時實現有效的海水脫鹽的新型設計，采用海水作為冷卻劑出現。這種方法激發了社區中的興趣，因為它可以與當前的光伏系統集成在一起，通過與其他創新解決方案耦合增強效益。

核能是另一種清潔能源，其合理的發展和利用對于全球能量結構的轉變也至關重要。鈾是核工業的主要燃料，在海水中分布廣泛，有超過40億噸的鈾儲量是傳統礦床中發現的1000倍。因此，從海水中提取鈾可能是保存和重新解放鈾資源的最有效方法之一。據報道，具有鈾吸附功能的界面蒸發器可以同時實現海水脫鹽并增強鈾的提取。但是，沒有關于這種集成系統的報道，即通過界面蒸發過程以PV冷卻和鈾提取為特征。 這一差距凸顯了一個巨大的挑戰，但也提供了一個絕佳的機會，可以通過共同提取的水資源和能源從根本上提高PV系統的能源效率。

相關成果以“Seawater Interfacial Evaporation in Composite Gel Enables Photovoltaic Cooling, Simultaneous Seawater Desalination,and Enhanced Uranium Extraction“為題發表在國際知名期刊《Advanced Functional Materials》（JCR一區,中科院一區TOP,IF=18.5）上。

研究結論

通過界面蒸發過程實現同時的PV冷卻和海水資源（水和鈾）的提取。為了實現有效的鈾提取，將聚多巴胺（PDA）和聚乙烯胺（PEI）一起使用，通過貽貝靈感和邁克爾加法反應（Mussel Inspiration和Michael Add Recestion）一起修飾粉末的活性炭（PAC），從而獲得PDA和PEI共涂的PAC（AIC）。AIC摻雜的SA水凝膠（AIC-SA）緊密連接到PV面板的背面。 當光伏面板在太陽輻射下加熱時，AIC-SA中的海水將蒸發并冷卻PV面板。 此過程可實現有效的PV面板冷卻和海水脫鹽。 同時，由于其選擇性吸附效果，海水中的鈾離子將被捕獲在AIC-SA內部。這個過程可從海水中提取鈾。具體而言，AICSA可以在1個太陽光強下最多將PV面板的表面溫度降低20.8°C，最大輸出> 8％。 隨著光強度從0.5升高到1.5，AIC-SA的蒸發速率從0.98上升到2.62 kg m-2 h-1，PV面板的輸出增長率從4.9增加到13.1％。 AIC-SA可以有效地冷卻PV面板，并在各種光強度上脫鹽，使其適合多種應用。 此外，AIC-SA在1個太陽光強下的50 mg L-1鈾溶液中的高鈾吸附比超過90％。 室外實驗表明，AIC-SA的最高溫度下降為約12°C，最大輸出增長率為8％。 此外，在10天內，鈾提取能力（EC）達到6 mg g-1，而其他雜質離子的提取則最小。

研究數據

圖 1.基于 AIC-SA 的光伏混合系統示意圖，集成了光伏冷卻、海水淡化和鈾萃取。TCL-導熱層

圖 2.AIC-SA 的設計和表征。a） AIC-SA 的制造進度;b） 商用光伏面板的紫外-可見-紅外光譜;c） Langmuir 和 Freundlich 模型中 AIC 擬合曲線的吸附等溫線;d） AIC-SA 中水的 DSC 曲線;e） AIC-SA 的 SEM 圖像;f） AIC-SA 不同形狀的數碼照片。

圖 3.AIC-SA 的室內光伏制冷性能。a） 光伏降溫試驗系統示意圖;b） 光伏板在 1 個陽光下的紅外照片：（I） 沒有 AIC-SA，以及 （II） 有 AIC-SA;c） 光伏板在 1 個陽光下的發電量：（I） 無 AIC-SA，以及 （II） 有 AIC-SA;d） 1 個陽光下 AIC-SA 中水的質量變化;e） 不同光照強度下含 AIC-SA 的光伏板的紅外照片;f） 不同光強下AIC-SA增強的蒸發速率和PV板的輸出增益;g） 不同被動冷卻技術的光伏冷卻效果比較。AC-空氣對流冷卻、PCM 相變材料冷卻、RC-輻射冷卻、FC-浮動冷卻、EC-蒸發冷卻和 SC-吸附冷卻。

圖 4.室內鈾萃取性能。a） 鈾萃取測試系統示意圖;b） 不同條件下 AIC-SA 的鈾吸附率;c） 增強鈾提取的關鍵因素;d） 不同溫度下 AIC-SA 的鈾吸附率;e） COMSOL 模擬的 AIC-SA 中的鈾分布;f） 不同光照強度下的增強因子;g） 不同 pH 值下 AIC-SA 的鈾吸附率和 zeta 電位;h） 其他離子存在下 AIC-SA 的鈾吸附率;i） AIC-SA 的循環吸附率

圖 5.AIC-SA 的實用性能。a） 基于 AIC-SA 的光伏混合系統在 1 個太陽光下的循環性能;b） 戶外設備的照片;c） 光伏板的紅外照片;I） 不含 AIC-SA，以及 （II） 含 AIC-SA;d） AIC-SA 增強的光伏板輸出增益;e） AIC-SA 的產水率 （WPR） 和鈾吸附率;f） AIC-SA 的鈾提取能力 （EC）。

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