JMCA | 受趋肤效应启发的3D太阳能蒸发器实现高效的蒸汽生成和超高的耐盐性

研究背景

随着全球人口的不断增长和环境污染的加剧，淡水短缺已成为人类生存和发展的严峻挑战，从丰富的海水中提取淡水已成为解决全球淡水短缺的关键战略。其中，太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术因其成本低、简单、无污染等特点而受到广泛关注。在过去的十年中，许多研究者通过改善太阳能吸收、增强水输运以及优化设计太阳能蒸发器的保温结构来提高太阳能蒸发器（SEs）的蒸发性能。其中，通过设计三维结构，可以大大扩大蒸发面积，从而获得优异的界面蒸发性能，并且远远优于二维结构。同时，蒸发面积的增加可以从环境中获得更多的能量，使蒸发速率远远超过理论极限。

在长期的脱盐过程中，盐晶体可能会在SEs的表面沉淀，特别是对于高盐度的盐水，导致SEs的光吸收减少，使其输水能力减弱。因此，有效提高SEs的耐盐性能已成为推动其实际应用的关键挑战。目前，研究者们已经提出了许多抗盐策略来解决3D SEs表面的盐沉积问题，但是它可能会导致较高的运行成本，并且损坏SEs的吸光层。其中，通过设计Janus结构在亲疏水界面处阻断盐或利用Donnan效应选择性输运离子，可以避免盐在SEs表面的沉淀，有效解决结构损伤问题。但是具有Donnan效应的SEs的疏水Janus结构和选择性离子输运特性仍然存在失效的可能性，并且热阻较大的Janus结构会降低蒸发性能。实际上，最简单、最可行的抗盐方法是通过加速水分输运来增强离子的扩散和对流，这种方法在气凝胶蒸发器、水凝胶蒸发器、仿生蒸发器等许多蒸发器中得到应用。但这个方法在SEs加速水输运的同时也不可避免地导致热损失显著增加。因此，在长期连续的太阳能脱盐过程中，存在热局部化和离子输运之间的内在权衡。

趋肤效应通常是指在电磁波的作用下，电流集中在导线表面的薄层上的现象。受这种独特的传输机制的启发，中南大学李庆教授课题组团队通过简单的制作方法构建了一个非均匀孔隙率的受皮肤效应启发的3D太阳能蒸发器（SEISE），其水分传输具有趋肤效应特征。对于这种新型的SEISE，首先，其高孔隙率和极低导热系数的内部主体不承担输水的责任，从而显著抑制了蒸发器的热损失，有效地提高了蒸发器的蒸发性能。其次，低孔隙率的SEISE表层具有优异的输水能力，可以准确、快速地将水输送到蒸发界面，从而在蒸发界面形成较大的离子浓度梯度（为离子流动提供动力）。第三，水输运和热局部化的协同匹配，使蒸发器即使在高盐度盐水中也具有高效的蒸发性能和耐盐性，最终打破了热局部化和离子输运之间的权衡。

相关成果以“A Skin-Effect-Inspired 3D solar evaporator for simultaneously achieving highly efficient steam generation and ultra-high salt resistance”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。（JCR一区，IF=10.7）

研究内容

本研究从导线电流的趋肤效应中汲取灵感，创新地设计并制备了一种非均匀孔隙率的三维太阳能蒸发器（SEISE）。与传统的太阳能蒸发器相比，该太阳能蒸发器可以根据其不均匀的孔隙结构进行功能区分。低孔隙率的表层可以显著加速水的输运，而高孔隙率和极低导热系数的内层可以有效地减少热损失。由于热局域化和水输运局域化的精确匹配，SEISE在1个太阳光强下的最大蒸发速率可显著达到6.0 kg m−2 h−1。此外，由于SEISE表层快速的水分输送，离子在SEISE中的扩散和对流明显增强，从而大大增强了其耐盐性。SEISE可以在超高盐度（25 wt%）的盐水中稳定运行48小时，蒸发表面未观察到盐结晶。该研究可同时实现优异的蒸发性能和超高的耐盐性，为开发新一代太阳能蒸发器提供了高效可行的策略。

研究数据

图1. (a) SEISE的制造过程示意图。初始MS (b)、CBs@MS表面孔隙结构(c)和SEISE表面孔隙结构(d)的SEM图像。(e)初始MS（SEISE的内部主体）和SEISE表层的累积孔隙体积。(f)初始MS和SEISE的太阳光谱和吸收光谱。(g)初始MS和SEISE中吸附水的DSC曲线，散装水作为对照样品。

图2. SEs的界面蒸发性能。(a) SEISE不同高度的蒸发速率。(b)传统SE （4 cm）和SEISE （4 cm）的蒸发速率。(c) SEISE在1个太阳光强和黑暗条件下的蒸发速率（4 cm）。(d)传统SE和SEISE的传热过程。(e)传统SE和SEISE的湿导热系数。(f)传统SE和SEISE的蒸发面红外图像。(g)传统SE和SEISE的蒸发面温度变化曲线。(h) SEISE的循环可靠性。

图3. (a)传统SE-4 cm和SE-4 cm在25%的盐水中1个太阳光强下48 h的耐盐性能。(b)SEISE-4 cm在不同盐度盐水中的质量变化曲线。(c)评价盐离子在传统SE和SEISE中路径的可视化颜色实验。(d)传统SE和SEISE的输水能力比较。(e)传统SE与SEISE可视化盐溶解过程的比较。(f)本研究的SEISE与文献中报道的一些3D SEs在不同盐度盐水中的蒸发性能和耐盐性比较。

图4. (a)一个简单的蒸汽收集装置，用于评估SEISE的净水能力。(b)脱盐前后不同金属离子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）的浓度和截留情况。MO (c)和MB (d)净化前后的紫外-可见吸收光谱。(e)净化前后废水中重金属离子的比较。(f)净化后的重金属离子浓度。(g)室外太阳能脱盐装置照片。(h)室外太阳能脱盐实验的光强和温度环境条件。(i) 2024年7月4日中国长沙晴天环境条件下，SEISE室外太阳能脱盐装置的淡水产率和质量变化随时间变化曲线。

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d4ta06352j

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