Science Bulletin | 文献前沿 | 3D太阳能蒸发器及其功能的最新进展

【研究背景】

界面太阳能蒸发（ISE）已成为一种有前景的技术，通过高效净化废水和海水来缓解全球水资源短缺。虽然ISE最初是在研究简单的双层二维（2D）蒸发器时发现和开发的，但观察到的蒸发速率和功能的局限性很快导致了三维（3D）蒸发器的开发，这现在被认为是研究领域最关键的里程碑之一。3D蒸发器显著提高了蒸发速率，超过了2D蒸发器的理论极限。此外，3D蒸发器可以具有源自各种功能蒸发表面和3D结构的多方面功能。本文总结了3D蒸发器的最新进展，重点介绍了3D蒸发器合理的设计、制造和能量关系，以及提高太阳能蒸发性能和探索新应用的导数函数。基于对3D蒸发器基本方面和实际应用要求的深入理解，还提出了未来的研究前景。

目前，该文以“Recent innovations in 3D solar evaporators and their functionalities ”为题在《 Science Bulletin 》 上发表。 文章通讯作者为南京林业大学杨小飞教授和 南澳大学徐浩兰教授 教授 。

【文章解读】

【文章总结】

该文 介绍3D太阳能蒸发器典型设计的最新进展，强调了宏观和微观3D结构之间的相互作用以及相关功能。 蒸发器的维度从传统的2D平面结构提升到立体3D配置，这不仅打破了之前的能效基准，也为额外功能开辟了新的途径。 从多功能设计的角度来看，3D蒸发器因其多样性、多功能性、扩大的蒸发表面积、额外的能量输入、光学调制、空气对流利用、加速蒸发速率的马兰戈尼效应、盐管理/收获、全天候运行、绿色能源和水联产、波浪探测和防倾覆而备受赞誉，适用于长期和智能应用。 近年来，得益于旨在优化3D设计和探索新功能的全球研究工作，3D蒸发器有望进一步提高蒸发性能，适应多样化和恶劣的环境条件。 尽管3D蒸发器正逐渐成为主要的研究焦点之一，但为了进一步探索新功能并促进其实际应用，提出了以下研究方面：

1.能量-水-溶质关系研究。3D蒸发器的独特功能源于2D蒸发器独特的能量、水和盐离子分布。热能分布直接决定了蒸发表面的能量损失和能量增益，而供水和分配则影响表面温度、盐结晶和蒸发速率。

2.三维蒸发器的合理设计。一旦揭示了能量、水和盐离子分布及其对3D蒸发器功能的影响，蒸发器结构和配置的精心设计就成为实现3D蒸发器功能和性能的先决条件。3D蒸发器的设计包括功能性光热材料、基板、蒸发表面、供水路径的制造，以及各种蒸发表面的物理性质和排列。一个理想的3D蒸发器应该能够完全消除能量损失，从阳光、周围空气和大量水中获取大量能量，并利用对流。值得注意的是，充足的供水对于最大限度地提高3D蒸发器的性能至关重要。原则上，具有更大高度和侧表面积的3D蒸发器可能会导致更高的蒸发率。然而，毛细作用限制了向上供水距离。这种限制可以通过设计和制造仿生结构来模拟树木的供水，并引入顶部注入供水模式来解决。除此之外，非常希望在3D蒸发器中引入降低蒸发焓的能力，以进一步提高蒸发速率。作为最近的一个例子，合成了平带λ-Ti3O5，并利用其制备了一个具有锥形腔的3D圆柱形蒸发器。蒸发器可以从周围的空气和大量的水中获取能量，而λ-Ti3O5表面暴露的Ti-Ti二聚体促进了水分子的解离，降低了蒸发焓，将蒸发速率提高到6.09 kg m−2 h−1。

3.设计的3D蒸发器的制造。3D蒸发器的制造具有挑战性，特别是对于那些具有复杂结构和配置的蒸发器。因此，目前大多数3D蒸发器都是简单的圆柱形、球形和圆锥形结构。虽然可以基于基础研究设计更复杂的3D蒸发器，但这些蒸发器的实现需要先进的制造技术。3D打印提供了一种简单有效的方法来制造具有复杂结构的3D蒸发器，以实现所需的功能。3D打印可以直接打印基于3D水凝胶的光热蒸发器，也可以打印用于后续光热涂层的3D框架/基材。未来，3D和四维打印有望成为制造多功能3D蒸发器的主要方法。对于3D太阳能蒸发器的工业化，材料成本是一个关键因素，因为3D蒸发器通常需要更多的材料消耗。采用特殊结构（如空心蒸发器）、去除“死蒸发区”和应用生物质材料将有利于节省成本。此外，还需要考虑3D蒸发器的便携性和存储性，因为与2D蒸发器相比，3D蒸发器的体积通常较大。柔性、可压缩、可折叠和坚固的基板/光热材料可用于制备3D蒸发器。

4.探索新功能。由于ISE在多学科研究和应用方面显示出了巨大的潜力，除了已审查的功能外，3D蒸发器还具有足够的扩展灵活性，例如，探索用于土壤修复、植物灌溉和食品生产等环境应用的3D蒸发器的新功能和应用。此外，3D蒸发器在资源回收和收获方面也具有巨大的潜力，如贵金属离子和锂的浓缩和提取。

5.系统设计。只有3D蒸发器本身无法实现ISE的实际应用。相反，它需要设计一个具有多个排列的3D蒸发器的整个系统。例如，对于海水淡化，需要一个封闭的太阳能蒸发式海水淡化装置，不仅可以促进海水蒸发，还可以促进蒸汽冷凝。如果没有有效的蒸汽冷凝，设备中的湿度水平将达到饱和，从而停止太阳能蒸发过程。因此，设计一种能够有效液化产生的蒸汽的装置对于ISE的清洁水生产和收集至关重要。此外，引入气流可以显著提高蒸发速率，并从系统中去除产生的蒸汽，这是非常有利的。在这种情况下，需要修改封闭式脱盐装置。对于其他应用，如盐收获、挥发性有机化合物去除、锂浓缩，需要专门设计设备。此外，将人工智能与ISE系统集成可以显著增强太阳能蒸发器在各种应用中的功能和通用性。这种整合可以提供包括室外天气监测、海洋生态系统监测、有针对性的溶质提取和单步生产富含营养的饮用水等功能。应该指出的是，尽管3D蒸发器提高了ISE的蒸发率和能效，但清洁水产量仍无法与商业技术（如反渗透）相媲美。因此，考虑到其优缺点，基于ISE的海水淡化技术更适合偏远地区、岛屿和小社区的分布式供水。设备和系统的设计应考虑这些应用场景。

总之，通过推进3D太阳能蒸发器的功能并持续优化ISE系统，预计ISE技术将很快为缓解全球水能源食品环境问题做出重大贡献。

【文献来源】

https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.09.015