NANO ENERGY|在一次太阳照射下实现界面太阳能水蒸发速率大于3 kg∙m-2∙h -1的新战略

研究背景

随着世界人口的持续增长和气候变化导致更频繁的干旱和水资源短缺，对清洁水的需求变得越来越迫切。根据联合国的数据，超过 23 亿人生活在水资源高度紧张的国家。海水淡化是从海水或微咸水中去除盐和其他矿物质以生产淡水。发展获得淡水的可持续方法已变得至关重要，在这种情况下，太阳能水蒸发已成为各种海水淡化技术中有前途的方法反渗透(RO)仍然是海水淡化的普遍方法，特别是在阿拉伯联合酋长国、沙特阿拉伯和以色列等地区。反渗透是一个高能耗的过程，因此开发替代和互补的海水淡化技术是受欢迎的。在这方面，太阳能水蒸发代表了一种有吸引力的替代方法，可以利用来自太阳的丰富而清洁的能源。与反渗透技术(70- 90%)相比，太阳能蒸汽蒸发的能源效率(20- 30%)相对较低，主要是因为太阳能蒸汽蒸发采用了间接加热方法。然而，太阳能热技术的不断进步正在稳步提高效率水平。通过利用太阳能驱动蒸发过程，这种方法为环境可持续的淡水生产解决方案提供了潜力。太阳能蒸发利用自然能源来蒸发水，将水从盐和杂质中分离出来，从而收集干净的淡水。太阳能蒸汽产生方法在减轻水资源短缺挑战的同时，最大限度地减少对能源密集型和环境税收方法的依赖，具有巨大的希望。

太阳能水蒸发对于解决全球缺水问题至关重要，尤其是在淡水资源有限的地区。通过利用光热材料，太阳能水蒸发利用太阳辐射产生热量，进而加速水的蒸发，产生清洁的饮用水。随后，水蒸气被凝结成淡水，为解决缺水问题提供了一个可持续的解决方案。这一研究领域引起了科学界的极大兴趣，发表了六千多篇论文。据报道，太阳能吸收器在一个太阳照射下的蒸发率超过 100 kg∙m -2∙h -1 ，远远超过二维吸收器表面可达到的 1.47 kg∙m -2∙h -1 的理论极限（假设潜热恒定为 2444 J∙g -1 ）。本综述探讨了理论值与实际值之间的这一重大差异。为了缩小关注范围，便于对高速率蒸发器进行分析，我们考虑了 3 kg∙m -2∙h -1 的临界值（在一个太阳照射下）。讨论了导致高蒸发率的关键挑战和因素，为该领域的进步提供了全面的见解。

相关成果以“Emerging Strategies to Achieve Interfacial Solar Water Evaporation Rate Greater than 3 kg∙m-2 ∙h -1 under One Sun Irradiation”为题发表在国际知名期刊《Nano Energy》(JCR一区，中科院一区，IF=17.6)上。

研究结论

本综述的主要目的是解决太阳能水蒸发速率的理论值与实际值之间的差异。通过考虑一次太阳照射下3 kg∙m -2∙h -1的截止值，研究者的目标是将重点缩小到高速率蒸发器，并系统地分析其性能增强的关键挑战和因素。通过对该领域最新进展的全面研究，研究者们寻求对高蒸发率背后的机制提供全面的见解，并确定进一步研究和开发的潜在途径。应对这些挑战需要跨学科的努力和合作研究的努力。通过系统地解决这些障碍，研究人员可以在一次太阳照射下释放高太阳蒸发率的全部潜力，推进该领域并促进高效和可持续的太阳能蒸发技术的部署。考虑到能源短缺和环境保护，利用太阳能生产清洁水对可持续发展具有重要意义。该技术成本低，能耗低。

主要数据

图1 在有效表面的增量示意图是一个恒定的照明投影面积。从左到右:2D表面只经历顶面蒸发，2D旁边的3D蒸发器在顶面蒸发的顶部也出现了侧面积蒸发。在第三种情况下，侧蒸发表面积通过增加z方向而增加，最后在多孔三维结构中，蒸发也从其孔隙内部发生。

图2 竹基太阳能蒸汽产生装置的设计概念示意图。(a)自下而上的水分输送和吸收阳光的光合作用。(b)垂直于竹材生长方向的采伐，可控碳化。(c)炭化竹基三维太阳能蒸汽产生装置示意图。在阳光照射下，被限制在竹网中的水的蒸发增加。蒸汽可通过以下途径供应:1)分支水扩散;2)泵送;3)基于薄壁细胞和维管束。(d)炭化前后的天然竹材。(e)炭化竹在x、y、z方向的人工着色SEM(扫描电子显微镜)图像。(f) y-z平面的扫描电镜图像表示维管束。(g, h)放大后的SEM图像(e, f)中的快速纵向水输送通道。如图(g)所示，水的交叉输送由细胞壁上的凹坑提供。(i)炭化竹的纵向扫描电镜图像。(j)炭化竹的横截面。维管束并入薄壁组织。

图3 Ti3C2/PVA复合水凝胶作为太阳能蒸发器用于蒸汽产生。(a, b)不同通道尺寸的PVA水凝胶中掺入Ti3C2纳米片的SEM图像。(c) Ti3C2/PVA在1个太阳下的水质量变化。与PVA -2h基水凝胶相比，PVA -0h基水凝胶的水蒸发速率更高，这是由于狭窄通道产生的更强的毛细力。(d)水质量变化稳定性试验。(e)水凝胶的蒸发速率随样品高度的增加。(f)在不同日子进行的蒸发速率稳定性试验。

图4 (a)该图像描绘了墨迹粉笔(ISC)的吸收光谱与AM 1.5G的太阳光谱的比较。(b)太阳能蒸汽发生试验用实验装置示意图。(c) ISC的照片和红外辐射热像。(d)该图描绘了ISC1/3BU、ISC2/3BU和ISC2D在同一阳光照射下的水质量随时间的变化。(e) ISC1/3TU和ISC2/3TU在同一太阳照射下的水质量随时间的变化。(g)一次太阳照射下ISC2/3TU在24小时内的蒸发速率。

图5 (a)设计能够24小时收集淡水的双功能聚乙烯醇/聚吡啶水凝胶膜。(b)琼脂和TiN水凝胶蒸发器(ATHEs)的聚合物低温凝胶有效地吸收太阳通量，因为垂直排列的光捕获通道同时泵出水和去除盐。(c)实验装置的设计。聚苯乙烯(PS)保温泡沫漂浮在水面上，减少了ATHEs对散装水的散热。棉花为ATHEs提供水，并将盐散发到大量盐水中。ATHEs被PE聚乙烯(PE)泡沫包围，以限制蒸汽从侧壁扩散，并在ATHEs内局部散热。(d) ATHEs的图像显示其灵活性。冰模板诱导自组装和冷冻干燥过程。(f, g) ATHEs横截面的SEM图像显示了垂直排列的水运通道和琼脂壁内嵌有TiN纳米颗粒的粗糙表面。

图6 (a)说明直接与水接触的传统太阳能水蒸发。(b)抑制热损失的太阳能水蒸发装置示意图

图7 CMA/PPN的合成方法及表征。(a)原位气体发泡-聚合表面包覆法制备CMA/PPN的工艺方案。(b) CMA掺杂和未掺杂的CMA/PPN图像。(c) CMA/PPN截面的SEM图像。(d) CMA/PPN的吸收和反射光谱。

图8 (a)带有隔热和隔热支架的三维蒸发器内的能量流动。(b) EPE泡沫、钢和铝在长期室外试验期间的导热系数，(c)蒸发速率，(d)水温变化，(e)蒸发速率。

图9 (a)太阳能蒸汽发生试验装置的数码照片。(b) 6鳍式HSE在1.0太阳照射30 min后的初始(上)和稳定(下)红外图像。(c)不同翅片数量的圆柱形蒸发器和HSE的蒸发速率。

图10 (a)提供高蒸发速率的三维互联多孔蒸发器的设计理念。相互连接的多孔结构的插图保证了自然对流流的有效扩散。传统蒸发器在封闭孔内蒸发，导致扩散无效，蒸发量低。(b, c)不同对流流量下(b)无光照和(c) 1次光照下不同孔径的三维蒸发速率。

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109872

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