四川
研究背景
在全球人口增长和经济发展的背景下，人类对水资源的需求日益增加。许多地区面临严重的缺水问题，迫切需要找到新的淡水供应方式。为了从源头上解决问题，海水淡化和废水回用是两种主流的解决方案。传统的海水淡化和废水净化工艺消耗大量常规能源，产生大量碳排放，因此需要找到一种绿色清洁的方法来实现这一工艺。太阳能驱动界面蒸发是一种可持续的环保型水处理技术，它利用太阳能作为热源，通过设计在水-空气界面处发生蒸发来提高水的蒸发速率。通过蒸发-冷凝工艺可以有效地实现海水淡化和废水处理，在全球水资源短缺和能源需求日益增长的背景下，具有重要的研究意义和应用前景。
目前，太阳能界面蒸发系统的材料选择、系统和结构设计是提高其效率和稳定性的关键。常用的材料包括碳基材料、金属氧化物和聚合物复合材料，它们具有良好的光吸收性能和导热性。光热材料的选择需要考虑多个参数对实际应用的影响。光热材料的性能决定了对太阳光的吸收程度。具有高吸收性的材料可以更有效地将光能转化为热能，从而提高系统的热转换效率和蒸发速率。热导率影响材料内热能传递的速率。具有高导热性的材料可以更快地将太阳能转化为热量，并将其转移到蒸发表面，以提高蒸发率。光热材料的热容由光吸收特性和传热特性决定。光热材料的热容量决定了其储存和释放热能的能力，具有高热容量的材料可以保持稳定的工作状态。
相关成果以“Interfacial evaporation and hydropower cogeneration aerogels with plum-like surface prepared by 3D printing template method”为题发表在国际知名期刊《Separation and Purification Technology》（JCR一区，中科院一区TOP，IF＝8.1）上
研究结论
本研究成功制备了仿梅花表面的气凝胶，并对其太阳能驱动的界面蒸发和热电联产性能进行了系统评价。通过在气凝胶表面上构建修剪表面气凝胶结构来提高蒸发面积，与具有未处理的蒸发表面的蒸发器相比，其显示出8.25%的增加。在一个标准的太阳辐射条件下，PSA蒸发速率可达3.15 kg m-2 h-1，能量利用率为95.33%。该仿生表面结构可为高性能保温材料、吸附材料等的开发提供一定的启示。此外，PSA在多场景污水处理实验中表现良好，对海水、重金属废水、印染液中的杂志离子去除率可达99.99%，净化效果达到饮用水标准。PSA能够在蒸发过程中产生稳定的电流和电压，在1 kW m−2的太阳辐射下最大输出功率为2.44 W m−2。多个蒸发器组合或配合电能储存装置可用于驱动负载正常运行。实现了污水处理过程中的能量回收，为解决淡水和能源危机提供了新的技术支撑。未来有望实现PSA发电的有效存储和智能管理，使PSA系统在不同天气条件和能源需求下灵活供电，提高能源利用的可靠性和稳定性。
研究数据
图1.(a)TiN@MWCNTs复合颗粒的制备工艺;（B）PSA制备流程图。
图2.(a)PSA回弹性能测试;（B）CA与PSA实物对比;（c-d）PSA侧面SEM图像;（e）PSA顶面SEM图像;（f）PSA底面SEM图像;（g-h）白杨李仿生表面形貌。
图4.(a)CA和PSA蒸发性能比较;（B）蒸发速率和效率比较;（c）PSA对不同水体的蒸发速率;（d）不同光照强度下PSA的蒸发速率;（e）室外蒸发-收集装置示意图;（f）室外蒸发试验;（g）金属废水净化前后比较;（h）海水净化前后的比较;（i）染色液净化前后的比较。
图5.(a)酸碱溶液净化前后pH值对比;（B）循环试验;（c）同行对比;（d）不同溶液下产生的电流和电压;（e）蒸发过程的电流变化曲线;（f）蒸发过程的电压变化曲线;（g）最大电流和电压值;（h）协同发电实际应用场景。
https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129548
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