四川
【研究背景】
由于世界各地对水的需求不断增加以及贫富差距不断扩大，一种低成本、高度灵活和环保的淡水生产技术——光热界面蒸发（SSG）最近被许多研究人员推广。该文指出决定SSG性能的因素主要为热管理和水管理，理解从周围环境到三维SSG的热质流动，只关注蒸发率而忽略蒸汽收集效率，以及无法应对复杂外部环境的相对单一的功能（即防污）。该文还讨论了SSG多功能应用的当前趋势，如抗菌和发电性能，并为SSG的未来研究前景提供了见解。
文章通讯作者为南澳大利亚大学徐浩兰研究员和悉尼科技大学付强副教授。相关内容以“Updated perspective on solar steam generation application”为题在《Energy & Environmental Science》（JCR一区，TOP，IF2022=32）上发表。
【文章解读】
图1. SSG设计和工作原理
热管理：1. 表面粗造度改性实现多重光反射和散射以提高吸光度；2. 热隔绝；3. 蒸汽流动，蒸发面积的增加存在静止蒸发区抑制蒸发；4. 空气对流，自然或人工风加速蒸发。
水管理：1. 水传输：交联和孔径是否可能影响SSG水传输动力学方面仍存在科研空白。中间水的含量：可通过控制材料亲水性、表面积和基材孔径以减少蒸发焓。
多功能化：1.抗菌；2.产生能量；
图2. SSG的热、水管理
主要挑战和远景：总之，由于水分子的氢键减弱，中间水的存在将导致蒸发焓显著降低。建议通过TG/DSC分析确定蒸发焓值。此外，与2D蒸发器相比，由于存在具有不同温度和蒸发速率的各种蒸发表面，识别3D蒸发器的DHvap更加困难。因此，不建议进行3D蒸发器效率的计算。最新的理论研究表明，可见光（lmax=520 nm）光子可以通过“光分子效应”（而不仅仅是光热效应）在水-蒸汽界面裂解水团簇。因此，研究人员应继续关注界面蒸发的动力学和热力学研究，以便更好地了解其机理。如果需要计算，建议将蒸发冷却率作为暗蒸发率（未暴露于光下）减去光蒸发率。此外，建议在蒸发速率计算中考虑所有空气/凝胶界面，因为它提供了与照明蒸发速率进行比较的基准。
开发下一代SSG的设计原则应优先考虑有效和高效的蒸汽收集系统。倒置结构SSG系统提高冷凝效率和产水量。在未来可以使用太阳能为特定的加热系统提供动力，以加速SSG水蒸发，从而实现全天候蒸发。由于该计算已应用于不同类型的大气集水系统，因此对于所提出的混合SSG系统，可以用L kW-1 h-1来计算新的产水效率基准。
图3. 常规与倒置结构的SSG器件设计
【文章总结】
SSG的热、水管理为提高SSG的性能和效率提供了基本策略。
热管理策略包括降低蒸发焓、增加蒸发器表面粗糙度、隔离热量产生、引入更多能源和诱导对流气流。水管理策略包括充分的中间水含量和确保平衡的水动力学传输到SSG内的蒸发器。
然而，当前问题是：理解进一步改善水输送的材料操作及对水蒸发区域的误解。此外，下一代SSG正朝着多功能应用发展。未来的SSG研究应更多地关注新的水生产设备的开发和制造，如高效蒸汽-水冷凝系统、多级太阳能蒸馏系统，甚至连续水生产力。
该文从水热管理出发，对光热界面蒸发现存问题做出详细探讨，在2D、3D蒸发效率计算上提出新见解，界面蒸发不应仅停留于蒸发，更重要的是高效地获取淡水。
【文献来源】
Casey Onggowarsito, Shudi Mao, Xin Stella Zhang, et al. Updated perspective on solar steam generation application. Energy Environ. Sci., 2024, Advance Article
https://doi.org/10.1039/d3ee04073a
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