【成果掠影 & 研究背景】

隨著全球淡水資源短缺和能源可持續(xù)發(fā)展的需求日益緊迫，太陽能界面蒸發(fā)作為一種低碳環(huán)保的海水淡化技術(shù)受到廣泛關(guān)注。然而，鹽分在蒸發(fā)器工作區(qū)域的結(jié)晶會嚴(yán)重降低系統(tǒng)效率和壽命。傳統(tǒng)3D靜態(tài)蒸發(fā)器主要依賴水分子自擴散，導(dǎo)致蒸發(fā)器周圍濕度過高、蒸汽擴散困難，且難以管理鹽結(jié)晶。

針對這一挑戰(zhàn)，南方科技大學(xué)等研究團隊在《Advanced Materials》上報道了一種創(chuàng)新的動態(tài)3D風(fēng)車式蒸發(fā)器。該蒸發(fā)器采用了Ti?C?T? MXene/Ti?O?復(fù)合光熱材料，通過簡單的鉤編技術(shù)制備了風(fēng)車結(jié)構(gòu)，并利用逐層自組裝法進行功能化修飾。其核心創(chuàng)新在于，通過調(diào)整風(fēng)車葉片的結(jié)構(gòu)和供水點位置，可以控制鹽溶液的傳輸與回流路徑，從而調(diào)控鹽結(jié)晶行為，實現(xiàn)鹽定點結(jié)晶在葉片邊緣頂點，與蒸發(fā)面空間隔離。在20 wt.%高濃度NaCl溶液中，該系統(tǒng)在420小時連續(xù)運行中保持了2.25 kg m?2 h?1的高蒸發(fā)速率和41.2 g m?2 h?1的鹽收集速率。更值得注意的是，該風(fēng)車蒸發(fā)器可與微型發(fā)電機結(jié)合，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能；戶外測試中，單一動態(tài)系統(tǒng)可實現(xiàn)高達12 V的峰值電壓和12.9 kg m?2 h?1的蒸發(fā)速率。最終，研究團隊演示了一個集成“海水淡化-風(fēng)力發(fā)電-農(nóng)業(yè)灌溉”的系統(tǒng)，展現(xiàn)了綜合利用太陽能、風(fēng)能與地能的多功能潛力。

【創(chuàng)新點 & 圖文摘要】

創(chuàng)新點：

• 結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新：首次設(shè)計并實現(xiàn)了動態(tài)3D風(fēng)車式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，通過葉片數(shù)量和尺寸的設(shè)計，主動調(diào)控流體路徑，實現(xiàn)了從被動“防鹽”到主動“管鹽”的策略轉(zhuǎn)變。

• 鹽結(jié)晶管理機制創(chuàng)新：通過調(diào)整供水點（底部或中心）和葉片結(jié)構(gòu)，精確控制鹽溶液的傳輸與回流，利用重力、濃度梯度與馬蘭戈尼效應(yīng)，成功將鹽結(jié)晶限制在葉片邊緣的特定頂點，實現(xiàn)了鹽結(jié)晶位置的空間可調(diào)和與蒸發(fā)面的有效隔離。

• 材料與光熱性能創(chuàng)新：創(chuàng)新性地構(gòu)建了MXene/Ti?O?復(fù)合材料，并通過實驗和理論計算驗證了其協(xié)同增強效應(yīng)。該復(fù)合材料顯著提升了光吸收率（濕態(tài)達98.82%）和光熱轉(zhuǎn)換效率，克服了純MXene膜高反射率的缺點。

• 持續(xù)運行與鹽收集創(chuàng)新：系統(tǒng)在高達20 wt.%的鹽水中穩(wěn)定運行超過420小時，并可通過“結(jié)晶-脫落”循環(huán)自動收集鹽分，鹽收集速率達41.2 g m?2 h?1，為解決零液體排放和資源回收提供了新方案。

• 能源協(xié)同與集成應(yīng)用創(chuàng)新：將蒸發(fā)器葉片設(shè)計與微型電磁發(fā)電模塊結(jié)合，實現(xiàn)了利用同一風(fēng)能同時驅(qū)動旋轉(zhuǎn)（增強蒸發(fā)）和發(fā)電，峰值發(fā)電功率可達330 mW。并成功構(gòu)建了集“產(chǎn)水-發(fā)電-灌溉”于一體的演示系統(tǒng)，驗證了實際應(yīng)用潛力。

• 理論模擬與機理驗證：利用COMSOL Multiphysics建立了二維物理模型，模擬了不同結(jié)構(gòu)（如F10圓盤與F5葉片）和不同供水點下的鹽分傳輸與分布，模擬結(jié)果與實驗觀察高度吻合，從機理上支撐了鹽結(jié)晶定點調(diào)控的可行性。

Figure 1: 動態(tài)3D風(fēng)車蒸發(fā)器的概念設(shè)計及多功能示意圖。

Figure 2: MXene/Ti?O?復(fù)合材料的表征及MT-PP-F的光熱性能。

Figure 3: 風(fēng)車蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能及鹽結(jié)晶定位特征。

Figure 4: 鹽結(jié)晶行為的調(diào)控機制及長期穩(wěn)定性能。

Figure 5: “海水淡化-風(fēng)電-灌溉”集成系統(tǒng)性能。

Figure 6: 室外實驗性能及全球風(fēng)/光資源分析。

【總結(jié) & 原文鏈接】

綜上所述，本研究成功設(shè)計并驗證了一種多功能動態(tài)3D風(fēng)車蒸發(fā)器。它通過精巧的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計，實現(xiàn)了太陽能驅(qū)動的持續(xù)高效海水淡化，并創(chuàng)新地將鹽結(jié)晶管理從“阻止”變?yōu)椤岸c控制與收集”。該系統(tǒng)在高鹽環(huán)境下展現(xiàn)出卓越的長期穩(wěn)定性。同時，它巧妙地利用風(fēng)能，在增強蒸發(fā)性能的同時實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電，最終集成為一個可同時產(chǎn)出淡水、電能并支持農(nóng)業(yè)灌溉的綜合平臺。這項工作為應(yīng)對全球水-能-資源聯(lián)動的挑戰(zhàn)提供了一種新穎、可持續(xù)且具有實際應(yīng)用前景的技術(shù)解決方案，推動了多功能太陽能蒸發(fā)器的設(shè)計與開發(fā)。

原文鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202514033

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