隨著全球工業(yè)和人口的增長，淡水資源短缺與可持續(xù)能源問題日益嚴峻。太陽能蒸汽發(fā)電因其能源效率高、成本較低，成為緩解水危機的重要技術之一，但蒸發(fā)器內部鹽分結晶導致的效率下降和壽命縮短一直是該領域的核心挑戰(zhàn)。同時，風能作為清潔可再生能源的重要組成部分，與太陽能的綜合利用備受關注，但如何在同一系統(tǒng)中協(xié)同實現(xiàn)高效脫鹽、鹽分管理與發(fā)電，仍是亟待突破的難題。

近日，南方科技大學徐保民教授、林蒙副教授和南華大學王行柱教授團隊提出了一種創(chuàng)新的動態(tài)3D風車蒸發(fā)器，成功實現(xiàn)了連續(xù)海水淡化、局部定點鹽結晶與收獲，并兼具風力發(fā)電功能。該系統(tǒng)通過調節(jié)風車葉片結構與供水點位置，控制鹽溶液輸運與回流路徑，使鹽分僅在葉片邊緣頂端結晶，與蒸發(fā)面空間隔離，從而維持穩(wěn)定的蒸汽生成與鹽收集。在20%氯化鈉溶液中連續(xù)運行420小時后，系統(tǒng)仍保持2.25 kg·m?2·h?1的高蒸發(fā)速率和41.2 g·m?2·h?1的收鹽速率。此外，結合微型發(fā)電機，該風車蒸發(fā)器可將風能轉化為電能，在戶外測試中單系統(tǒng)峰值電壓達12 V，蒸發(fā)速率達12.9 kg·m?2·h?1。該研究最終構建了一套“海水淡化—風能發(fā)電—灌溉”一體化系統(tǒng)，為應對水—能源—糧食協(xié)同挑戰(zhàn)提供了新思路。相關論文以“Enabling Dynamic 3D Windmill Evaporator for Continuous Water Desalination, Localized Point Salt Crystallization and Harvesting, and Power Generation”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團隊首先制備了以棉纖維為基底、負載MXene/Ti?O?復合光熱材料的3D風車結構蒸發(fā)器。通過掃描電鏡觀察，復合材料在纖維表面形成粗糙突起，顯著提升了對太陽光的吸收能力。X射線光電子能譜分析證實了Ti–O–Ti鍵的形成，表明MXene與Ti?O?之間存在化學相互作用。在濕潤狀態(tài)下，該材料在280–2500 nm波長范圍內的光吸收率高達98.82%，光熱轉換效率較未處理纖維提升140%。

圖1 三維風車蒸發(fā)器結構與功能示意圖，展示其用于持續(xù)海水淡化、局部鹽結晶與收集以及風力發(fā)電的一體化設計。

蒸發(fā)器的熱管理性能通過紅外熱成像得以驗證：在模擬太陽照射下，蒸發(fā)器前沿溫度顯著高于水體，而葉片邊緣溫度甚至低于環(huán)境溫度，說明系統(tǒng)能有效抑制向水體的熱損失，并從環(huán)境中捕獲熱量。一維供水路徑與雙面蒸發(fā)結構進一步擴大了有效蒸發(fā)面積，提升了蒸汽擴散效率。在1個太陽光照下，蒸發(fā)速率達2.63 kg·m?2·h?1，效率達96.4%。

圖2 （a,b）MXene/Ti?O?的透射電鏡與高分辨電鏡圖像，以及C、F、O、Ti元素分布圖；（c）MXene、Ti?O?與MXene/Ti?O?的X射線衍射圖譜；（d）M-PP-F與MT-PP-F的掃描電鏡圖像；（e）原始纖維、PP-F、T-PP-F與MT-PP-F的XPS全譜；（f）MT-PP-F中Ti 2p與O 1s的高分辨XPS譜；（g）干燥狀態(tài)下MXene、Ti?O?與MXene/Ti?O?薄膜的反射光譜；（h）原始纖維、M-PP-F、T-PP-F與MT-PP-F的光吸收譜；（i）不同太陽光照下濕潤三維風車MT-PP-F蒸發(fā)器正面溫度隨時間變化曲線。

圖3 （a）三維風車MT-PP-F5蒸發(fā)器表面溫度分布；（b）水、原始纖維、PP-F、M-PP-F與MT-PP-F5在一太陽光照下的質量變化；（c）三維風車蒸發(fā)器示意圖，包括一維水輸運、全維度蒸汽擴散與擴大蒸發(fā)面積；（d）不同葉片數(shù)量的40 mm直徑MT-PP-F蒸發(fā)器蒸發(fā)速率比較；（e）三類主流抗鹽蒸發(fā)器與MT-PP-F5蒸發(fā)器的性能對比；（f–h）在10% NaCl溶液中，鹽結晶在MT-PP-F10蒸發(fā)器表面、MT-PP-F4及MT-PP-F7葉片固定點的形成圖像。

針對高鹽度水處理，風車蒸發(fā)器展現(xiàn)出獨特的鹽分管理能力。通過調節(jié)葉片數(shù)量與供水方式，鹽結晶可被精確控制在葉片頂端特定位置，而非遍布蒸發(fā)面。在10%鹽水中，多葉片蒸發(fā)器鹽結晶分布于多處，而優(yōu)化后的五葉片結構僅在一側葉尖形成單點結晶。COMSOL模擬進一步揭示了鹽分輸送與回流路徑受重力與濃度梯度的協(xié)同調控，與實驗觀測高度吻合。

圖4 （a）3.5% NaCl溶液中鹽結晶在MT-PP-F5葉片固定點（單點）的圖像，結晶鹽可被收集；（b）15% NaCl溶液中從葉片底點供水的MT-PP-F5蒸發(fā)器在兩處葉尖結晶的圖像；（c）從中心點供水的MT-PP-F5蒸發(fā)器表面鹽結晶逐漸覆蓋的圖像；（d,e）COMSOL模擬的鹽濃度分布與回流路徑；（f–i）COMSOL模擬的不同供水方式下鹽濃度分布、溶液輸運路徑與流速分布；（j）在20% NaCl溶液中連續(xù)脫鹽420小時的性能曲線；（k）脫落的結晶鹽收集圖像；（l）三組MT-PP-F5蒸發(fā)器在間歇旋轉與20%鹽濃度下運行300小時后表面無鹽結晶的圖像。

研究團隊還將微型電磁發(fā)電模塊集成于風車轉軸，實現(xiàn)風力驅動下的持續(xù)發(fā)電。在7.9 m/s風速下，系統(tǒng)可點亮燈泡；風速升至10 m/s時，開路電壓達13.8 V，輸出功率330 mW。多個模塊串聯(lián)后可進一步提升電壓輸出，展現(xiàn)出規(guī)?；瘧玫臐摿Α?/p>

圖5 （a）海水淡化—風能發(fā)電—灌溉系統(tǒng)示意圖；（b）南海水淡化前后四種主要離子濃度對比；（c）海水、自來水與凈化海水灌溉下小麥與豌豆在第3、5、8、11天的生長圖像；（d）小麥與豌豆隨培養(yǎng)時間的株高變化；（e）不同風速下風力發(fā)電模塊的開路電壓及7.9 m/s風速下點亮燈泡的圖像；（f）單風力發(fā)電設備在不同風速下的最大輸出功率；（g）多設備串聯(lián)后的開路電壓；（h）風速啟停循環(huán)下的開路電壓曲線。

最終，團隊構建了集脫鹽、發(fā)電與灌溉于一體的演示系統(tǒng)。經(jīng)蒸發(fā)凝結后的水質離子濃度降低3–4個數(shù)量級，符合飲用水標準。使用凈化水灌溉的小麥與豌豆發(fā)芽生長良好，與自來水灌溉組相當，而直接用海水灌溉的種子則無法發(fā)芽。在深圳灣進行的戶外實驗中，單系統(tǒng)日均產(chǎn)水量達17.6 kg/m2，且蒸發(fā)器表面無鹽堆積，展現(xiàn)出良好的實際應用性能。

圖6 （a）系統(tǒng)長期運行穩(wěn)定性測試；（b）深圳灣實際測試中單系統(tǒng)電壓與蒸發(fā)速率；（c）全球主要沿海城市分布與太陽輻照度；（d）2024年3月25日各時段多洲沿海城市風速；（e）戶外實驗現(xiàn)場照片；（f）戶外實驗中太陽通量、蒸發(fā)器表面溫度、環(huán)境溫度與累計產(chǎn)水量隨時間變化。

該研究不僅提供了一種高效、耐鹽、可長期運行的太陽能蒸發(fā)解決方案，更通過結構創(chuàng)新實現(xiàn)了鹽分定向結晶與自動脫落收集，突破了傳統(tǒng)蒸發(fā)器鹽垢堵塞的瓶頸。結合風力發(fā)電與農業(yè)灌溉，該系統(tǒng)為沿海缺水地區(qū)的水—能源—糧食協(xié)同供給提供了可持續(xù)的技術路徑，有望推動太陽能海水淡化技術走向實際應用與規(guī)模化部署。