东北电力大学李浩然副教授/洪文鹏教授团队Chem Eng J: 采用透气性Janus光热材料实现双向太阳能产水

淡水短缺是人类21世纪面临的全球挑战之一，太阳能驱动的界面蒸发为解决全球淡水资源短缺提供了有效方案。尽管在提高蒸发速率方面取得了突破进展，但由于蒸汽单向扩散，当前的冷凝水生产率仍局限在0.3 − 0.5kg m−2h−1，难以满足用水需求。基于以上问题，东北电力大学李浩然副教授和洪文鹏教授团队提出了一种双向太阳能产水（BSWP）装置设计策略，该装置由双向冷凝器和透气Janus光热材料（BJPM）组成。顶部冷凝器是由亚克力板制作而成的透明罩，底部冷凝器则为铝合金腔体，BJPM利用可再生棉织物制成。BSWP允许蒸汽在蒸发界面的上下两个方向扩散并在双向冷凝器中冷凝收集。由于BSWP装置独特的结构设计，避免了大量蒸汽在一侧聚集，同时减少了因顶部透明罩内壁蒸汽雾引起的光损失，突破了传统太阳能蒸馏器的局限性。在1倍光照下，BSWP装置实现了1.06 kg m−2 h−1的产水率，产水效率达到71%。连续10小时的户外测试表明，BSWP装置可实现9.65 kg m−2的产水量，展示了其在实际环境条件下高效的产水潜力，为直接太阳能产水装置的结构创新提供了新视角。相关工作以Bidirectional solar water production enabled by a breathable Janus photothermal material发表在Chemical Engineering Journal期刊。

图1：向上太阳能产水、向下太阳能产水和双向太阳能产水装置的蒸汽冷凝和收集原理. (a)向上太阳能产水装置：蒸发界面产生的蒸汽向上扩散并在透明罩内壁冷凝，冷凝水滴沿着内壁回流到底部进行收集。(b)向下太阳能产水装置：该装置顶部为密封结构，阻止蒸汽向上扩散。蒸发界面产生的蒸汽只能向下扩散并在底部冷凝器中冷凝收集.(c) 双向太阳能产水装置：允许蒸汽在蒸发界面上下扩散，并在顶部和底部冷凝器中同时冷凝收集。

图2：BSWP装置结构设计及BJPM特性

BSWP装置主要由顶部冷凝器、BJPM和底部冷凝器组成。BJPM在300 – 2500nm波长范围内的太阳能光谱吸收率达到95%，底部的亲水纤维确保装置的连续水输运。此外，其透气性介于原始织物和不透气光热材料之间，并且在30min的超声处理中，没有任何材料脱落，表现出优异的稳定性。

图3：BSWP装置热湿平衡调控

BSWP装置的蒸发性能与蒸发界面含水量密切相关，调节热湿平衡关系是高蒸发率的必要条件。在供水高度为4cm时，其最大蒸发速率达到1.47kg m−2 h−1，蒸发效率达到94.9%。此外，BSWP装置表现出优异的光热转换能力，在干态下，其表面温度达到78℃，在湿态下约为44℃。

图4：BSWP装置产水性能

BSWP装置在支架高度为1cm、供水高度为4cm的最优条件下，其产水率达到1.06 kg m−2h−1。总体来看，装置顶部冷凝器产水量大于底部，整体产水效率达到71%。

图5：BSWP装置抗盐性及水净化能力

BSWP装置表现出良好的抗盐性。在3.5 wt.%的盐浓度下完全没有盐积累，并且实现0.97 kg m−2h−1的产水速率。此外，在RB、MO和MB等不同复杂溶液净化中表现出优异的水净化能力。

图6：BSWP装置长时产水及实际环境产水性能测试

连续5小时的测试表明，BSWP装置在3.5 wt.%的盐水中运行的产水量与纯水条件下相当，其产水率超过目前大多数已报道的单级太阳能蒸馏器。在实际环境连续10小时的产水量达到9.65 kg m−2。

小结：研究者报告了一种新型BSWP装置，该装置采用可再生棉织物制成的BJPM和位于光热材料两侧的两个冷凝器，使得蒸汽可以在蒸发界面上下两个方向同时扩散冷凝。在1倍光照下，产水速率达到1.06 kg m–2 h–1，产水效率为71%。此外，BSWP在脱盐实验中表现出显著的抗盐性能，确保了其长时稳定性。户外试验显示其在10小时内实现了9.65 kg m−2的出色产水量。凭借其结构创新，BSWP为缺水地区的分散、离网式清洁水供给提供了一种绿色低碳解决方案。

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