研究背景

隨著全球人口的快速增長(zhǎng)和人類活動(dòng)的擴(kuò)張，淡水短缺已成為一個(gè)嚴(yán)峻的全球性問題，而利用太陽能作為唯一能源驅(qū)動(dòng)清潔水生產(chǎn)的界面太陽能蒸發(fā)（ISE）技術(shù)被視為緩解這一危機(jī)的可持續(xù)方案 。然而，ISE技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用目前面臨一個(gè)關(guān)鍵瓶頸，即其蒸發(fā)性能高度依賴于太陽輻射的可用性和強(qiáng)度，在無光照條件下蒸發(fā)率通常會(huì)下降69-87%，且自然界中不穩(wěn)定的天氣條件和有限的高強(qiáng)度日照時(shí)長(zhǎng)（例如許多沿海城市每日有效高強(qiáng)度日照少于6小時(shí)）難以保障連續(xù)且穩(wěn)定的蒸發(fā)性能 。盡管目前已有利用相變材料（PCMs）儲(chǔ)熱或引入焦耳加熱等策略來緩解光照不足的影響，但這些方法通常存在熱儲(chǔ)能容量有限、維持時(shí)間短、封裝工藝復(fù)雜或需要額外外部電能輸入等缺陷，損害了ISE系統(tǒng)的被動(dòng)性和簡(jiǎn)潔性 。相比之下，地球上的體相水由于具有極高體積熱容，本身就是一個(gè)巨大的天然被動(dòng)熱庫，但現(xiàn)有的蒸發(fā)器設(shè)計(jì)在太陽能蒸發(fā)過程中往往面臨熱量從蒸發(fā)表面向體相水傳導(dǎo)流失（即熱傳導(dǎo)損失）的問題 。因此，如何通過精細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逆轉(zhuǎn)這一熱流方向，利用高導(dǎo)熱材料有效地從體相水中提取熱能以補(bǔ)充太陽能輸入的不足，從而在弱光或無光條件下維持高蒸發(fā)率，成為了克服現(xiàn)有ISE技術(shù)局限并實(shí)現(xiàn)全天候高效海水淡化的重要研究方向 。

相關(guān)工作以“A 3D printed Cu evaporator support for record-high interfacial solar evaporation”為題，發(fā)表在《Materials Horizons》期刊上。（JCR一區(qū)，中科院二區(qū)TOP，IF=12.1）

相關(guān)數(shù)據(jù)

圖1：高導(dǎo)熱銅支撐的ISE系統(tǒng)在太陽蒸發(fā)過程中光熱效應(yīng)和能量傳遞過程的示意圖

圖2：蒸發(fā)器的制備與表征

（a） 銅支撐的3D打印工藝，以及（b） 用3D打印銅支撐準(zhǔn)備蒸發(fā)器的示意圖。（c） 3D 打印的銅支撐，（d） 帶有PDA涂層的銅支撐，（e） 光熱層，以及 （f） 光熱層中的纖維素纖維的SEM圖像。（g） 水在rGO-纖維素-SA水凝膠層上的接觸角。

圖3 （a） 帶有鰭片的銅支架結(jié)構(gòu)示意圖

（b1-b4銅蒸發(fā)器、銅蒸發(fā)器-6F、銅蒸發(fā)器-10F、銅蒸發(fā)器-14F的照片。PLA蒸發(fā)器、銅蒸發(fā)器和帶鰭銅蒸發(fā)器的質(zhì)量變化（c）和蒸發(fā)速率（d）。銅蒸發(fā)器質(zhì)量變化（e）及蒸發(fā)率（f）銅蒸發(fā)器-14F-5m、銅蒸發(fā)器-14F-15m。（g）蒸發(fā)器的頂部和側(cè)面面積。（h）蒸發(fā)器的表面溫度。（i）計(jì)算出來自不同來源的能量輸入。（j）不同蒸發(fā)器三種能源輸入的能量比值。（k）理論計(jì)算的能量輸入與水蒸發(fā)所需能量的比較。

圖4 （a1–6） 從銅蒸發(fā)器、Cu-蒸發(fā)器-6F、Cu-蒸發(fā)器-10F、Cu-蒸發(fā)器-14F、銅-蒸發(fā)器-14F-10m和Cu-蒸發(fā)器-14F-15m的散裝水中提取能量的模擬結(jié)果。（b1–3） Cu蒸發(fā)器、Cu蒸發(fā)器-6F和Cu-蒸發(fā)器-14F-15m的蒸氣擴(kuò)散模式模擬結(jié)果。

圖5 （a）示意圖：展示了使用源測(cè)量單元在海水中測(cè)量銅支撐保護(hù)系統(tǒng)電壓的實(shí)驗(yàn)裝置，系統(tǒng)的開路輸出電壓（b）和短路電流（c）。Cu-蒸發(fā)器-14F-5m在天然海水中的質(zhì)量變化（d）和蒸發(fā)速率（e），該保護(hù)系統(tǒng)在太陽和黑暗條件下的表現(xiàn)。（f） Cu蒸發(fā)器-14F-5m在戶外測(cè)試中的照片。（g）戶外測(cè)試中的太陽能強(qiáng)度、環(huán)境溫度和濕度。（h）原始海水和收集蒸汽的高離子濃度。

研究結(jié)論

本研究證實(shí)了從體相水中收集熱能對(duì)于顯著提升界面太陽能蒸發(fā)（ISE）性能具有關(guān)鍵作用 。通過合理設(shè)計(jì)具有高導(dǎo)熱系數(shù)且經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的3D打印銅蒸發(fā)器支撐體（特別是引入延長(zhǎng)的翅片結(jié)構(gòu)），研究人員成功擴(kuò)大了蒸發(fā)表面積并增強(qiáng)了從體相水中提取熱能的能力，從而在1.0個(gè)太陽光照強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)了11.15 kg m-2 h-1的創(chuàng)紀(jì)錄蒸發(fā)率 。能量分析表明，在該系統(tǒng)中，來自體相水的熱能貢獻(xiàn)已超過太陽能輸入，成為水蒸發(fā)的主導(dǎo)能源，這有效緩解了ISE技術(shù)對(duì)直接太陽光強(qiáng)度的依賴，為實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)的高效水蒸發(fā)提供了可行的解決方案 。此外，該研究還通過鋅耦合設(shè)計(jì)引入了內(nèi)置的犧牲陽極防腐機(jī)制，在有效保護(hù)銅支撐體免受海水腐蝕的同時(shí)，利用電偶效應(yīng)在海水淡化過程中實(shí)現(xiàn)了同步發(fā)電，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的耐用性與多功能性 。

DOI:10.1039/D5MH02102B

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